《International Journal of Biological Macromolecules》：Recent advances in lignin-based sensors: Structure-guided material design, sensing mechanisms, and emerging applications: A review
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摘要木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物，正日益被探索作为可持续传感材料的通用前驱体和功能组分。其丰富的界面化学特性、可调结构、抗氧化性能以及与纳米材料的兼容性，使其在构建电化学传感器、光学传感器、生物传感器、气体传感器、湿度传感器、压力传感器和应变传感器方面尤为引人注
摘要
木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物，正日益被探索作为可持续传感材料的通用前驱体和功能组分。其丰富的界面化学特性、可调结构、抗氧化性能以及与纳米材料的兼容性，使其在构建电化学传感器、光学传感器、生物传感器、气体传感器、湿度传感器、压力传感器和应变传感器方面尤为引人注目。本综述从结构-性质-功能的角度审视了木质素基传感器的最新进展。特别关注了酚羟基、甲氧基、羰基/羧基官能团、芳香族区域以及超分子相互作用如何决定分析物结合、界面粘附、离子传输、氧化还原行为和机械适应性。讨论了主要材料工程策略，包括化学修饰、纳米粒子形成、水凝胶设计、碳化和与导电聚合物、碳纳米材料、金属纳米粒子及MXenes的杂化，并关联了传感机制与器件性能。对不同传感器类别的代表性应用进行了批判性评估。同时讨论了实际部署中存在的剩余障碍，主要包括原料变异性、弱的结构-性能相关性、不完整的机制理解以及规模化限制，并探讨了更可持续制造、多功能集成、可穿戴电子和潜在可生物降解传感平台等方面的未来方向。通过阐明如何将木质素化学转化为传感功能，本综述旨在支持木质素赋能传感器技术的理性开发。
引言
智能电子、可穿戴设备和分布式环境监测的快速扩展，加剧了对兼具灵敏度、机械顺应性、低成本和可持续性的传感材料的寻找[1]。传统传感材料通常来源于不可再生的石化资源，且往往存在降解性有限、加工复杂或与软质及生物界面器件兼容性不足等问题[2]。在此背景下，生物质衍生功能材料作为现有传感平台的可行替代或补充，正受到越来越多的关注。其中，木质素占据了独特的位置。作为唯一天然丰富的可再生芳香族聚合物，它在制浆和生物炼制过程中大规模作为副产物产生，并含有广泛的化学可处理官能团[1], [3], [4], [5], [6]。因此，木质素在传感器中的应用交汇了两个活跃的研究方向：木质素增值和可持续电子。
从材料角度来看，木质素结合了芳香族单元与酚羟基和脂肪族羟基、甲氧基以及羰基/羧基官能团，同时具有抗氧化活性、紫外屏蔽能力和强大的分子间相互作用潜力[7], [8], [9]。这些特征与分析物吸附、界面工程、金属配位、超分子网络形成以及与导电纳米材料的杂化密切相关。然而，木质素本质上是异质的。其分子量、连接分布、缩合度和杂质谱随植物来源和分离方法而变化[10], [11], [12]。因此，基于木质素的传感材料的行为不能将木质素视为化学均匀的原料来讨论。在大多数实际系统中，传感性能由木质素结构、材料加工和器件架构之间的相互作用决定。高性能器件通常不是仅由天然木质素产生，而是由转化为纳米粒子、水凝胶、碳质骨架或与石墨烯、碳纳米管、MXenes、金属纳米粒子、导电聚合物及相关功能相杂化的木质素产生[13], [14], [15], [16]。
如图1、图2所示，近期研究展示了木质素基材料在电化学传感、光学检测、生物传感、气体监测以及柔性压力、湿度和应变传感方面的多功能性。特别是，含木质素的水凝胶、有机凝胶、多孔碳和纳米复合材料在可穿戴电子方面显示出潜力，因为它们可以在单一材料平台中集成柔软性、粘附性、导电性、环境耐受性，并且在某些情况下具有可生物降解性[14], [15], [16], [17], [18]。然而，该领域仍处于早期阶段。当前的许多文献仍以概念验证演示为主，而原料可重复性、稳健的结构-性能关系、机制清晰度和可扩展制造等问题仍未得到充分解决。因此，需要批判性的综合分析，不仅是为了记录进展，而是为了确定将决定木质素基传感器能否超越实验室原型的概念和实际限制。
为确保对该领域的广泛和最新覆盖，使用Web of Science核心合集对截至2026年8月可用的出版物进行了文献检索。搜索词包括"木质素"、"木质素磺酸盐"、"木质素纳米粒子"、"木质素水凝胶"、"木质素衍生碳"、"传感器"、"生物传感器"、"电化学传感器"、"光学传感器"、"气体传感器"、"湿度传感器"、"压力传感器"、"应变传感器"和"可穿戴传感器"的组合。特别关注与木质素赋能传感材料、传感机制、材料工程和器件性能直接相关的同行评审研究文章和综述。优先考虑近期研究，同时保留早期代表性研究以描述关键概念或传感策略的发展。
本综述讨论了木质素基传感器的最新进展，重点在于结构引导的材料设计和传感机制。首先研究了与传感器开发相关的木质素分子特征、来源依赖特性和功能化策略（图3）。随后讨论了主要材料平台，特别是木质素纳米粒子和基于木质素的水凝胶，从制备路线和功能角色的角度进行阐述。然后分析了电化学传感器、光学传感器、生物传感器、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、应变传感器和多功能传感器中的代表性应用，特别关注木质素对器件性能的特定贡献。
此前的几篇综述已涉及基于木质素的功能材料的相关方面。2020年发表在Materials Horizons上的综述提供了关于木质素基智能材料的广泛视角，重点在于加工和合成策略，而2024年发表在Trends in Chemistry上的综述主要关注木质素在刺激响应材料中的化学功能[24], [25]。最近，2025年发表在Biotechnology for Sustainable Materials上的综述总结了木质素在生物传感器开发中的使用。相比之下，本综述专门关注跨多种传感模式的基于木质素的传感系统，并特别强调将木质素结构、材料工程策略、传感机制与器件性能联系起来[26]。它还区分了木质素与次要导电或催化相的功能贡献，并批判性地讨论了与结构-性能关系、可重复性、可扩展性和实际实施相关的剩余挑战。
章节摘要
木质素的结构特征及其与传感器设计的相关性
木质素是一种异质芳香族生物聚合物，其在传感器设计中的价值源于其化学功能、结构多样性和可再生性的结合[8]。与许多需要大量后功能化的石油衍生聚合物不同，木质素天然含有酚羟基和脂肪族羟基、甲氧基、羰基/羧基官能团以及芳香族区域，这些可以参与氢键、π-π堆积、氧化还原过程、界面
木质素在不同类型传感器中的应用
木质素已被纳入广泛的传感平台，包括电化学、光学、生物、气体、压力、湿度、应变和多功能传感器。在本综述中，这些类别被用作基于原始研究中强调的主要传感模式、目标刺激或器件功能的实用、面向应用的框架，而非互斥的分类。例如，生物传感器可以采用电化学转导，
木质素基传感器制造与性能优化的材料工程策略
基于木质素的传感器的制造本质上是一个跨越多个长度尺度的材料工程问题，从分子结构和界面化学到器件架构和信号稳定性[91], [92], [93]。文献中的一个一致教训是，高性能很少仅由木质素产生。相反，它依赖于对木质素来源、纯化、纳米结构、复合材料设计和加工路线的刻意控制。性能优化应当
挑战
尽管该领域发展迅速，基于木质素的传感器仍面临几个基本障碍，限制了它们从有前景的实验室材料转变为可靠的实用器件。如图27所示，首先是木质素异质性。由于木质素随生物质来源和提取过程而变化，分子量、官能团分布、缩合度和杂质谱往往不一致[109]。这些变化影响溶液行为、纳米粒子
结论
木质素正成为可持续传感材料的通用平台，因为它结合了丰富的界面化学、结构可调性、抗氧化性能以及与功能纳米材料的广泛兼容性。近期研究表明，木质素可以被加工成纳米粒子、水凝胶、有机凝胶、多孔碳和杂化复合材料，用于电化学、光学、生物、气体、压力、湿度、应变和多功能传感应用。在这些系统中，
CRediT作者贡献声明
Yuhao Shan：撰写-初稿，形式分析，数据整理。Shumin Wang：可视化。Dan Zhang：概念化。Xiangyu Li：验证。Junyou Shi：监督，资金获取。Wenbiao Xu：撰写-审阅与编辑，项目管理，资金获取。
关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明
在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT以提高语言和可读性。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金委员会（32571995，32130073）、吉林省发展和改革委员会工业技术研发项目（2024C019-7）和吉林省自然科学基金（YDZJ202401464ZYTS）的资助支持。
Yuhao Shan|Shumin Wang|Dan Zhang|Xiangyu Li|Junyou Shi|Wenbiao Xu
