复旦大学孔彪团队开发电荷-构型双重识别分子印迹离子通道用于可持续环境分析监测

第一作者（或者共同第一作者）：  徐叶青  

通讯作者（或者共同通讯作者）：   孔彪    

通讯单位：   复旦大学   

论文DOI： 10.1021/jacs.5c03283

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食品的农药残留问题一直是关注的热点问题，本工作通过开发一种融合分子印迹技术的纳米通道传感器，建立一种快速、高效的农残检测传感方法。该方法利用“自组装-分子印迹-多基元组装”策略针对不同化学结构构建定制纳米通道传感器，解决传统纳米孔传感器选择性依赖于化学键相互作用的长期挑战。该方法成功应用于10种不同农药分子的高选择性检测，实现了离子电荷和分子构型的双重识别。

背景介绍

农药是农业生产中广泛使用的消耗品，虽能有效防治病虫害，但利用率极低。研究表明，大量农药残留长期存在于土壤和水体中，严重破坏农田和水生生态系统，并通过食物链富集放大千倍以上，危害人体健康，引发呼吸系统和神经系统疾病。当前单一农药检测方法已无法满足需求，亟需建立普适性强、高灵敏度的检测新方法。

近年来，受生物纳米通道启发的人工纳米通道传感技术快速发展，已广泛应用于多种物质检测。然而，传统方法在选择性识别方面存在局限，需同时实现电荷、化学键和分子构型的精准识别。分子印迹技术通过"锁钥原理"可精确复制目标物的空间结构，将其与纳米通道结合，能显著提高传感器的选择性和检测范围，为农药残留检测提供新思路。

本文亮点

针对当前农药检测的挑战，孔彪课题组首次提出了一种通用型分子印迹纳米通道（MIPs/AAO）构建方法。通过"自组装-分子印迹-多基元组装"策略，成功制备了可高选择性识别多种农药的传感器，检测限达pM级，比传统荧光分析法低两个数量级。以联苯菊酯为例（BI-MIPs/AAO），该传感器兼具电荷和空间构型双重识别能力，可在120 s内快速响应BI（检测限17.8 pM），并表现出优异的选择性。计算模拟进一步验证了实验结果的可靠性。此外，MIPs/AAO的吸附特性表明其在污染物治理方面具有潜在应用，有助于减轻对海洋生态系统和人类健康的危害，推动环境可持续发展。

图文解析

图1. BI-MIPs/AAO分子印迹纳米通道膜的合成示意图。

研究人员采用“自组装-分子印迹-多基元组装”策略，以丙烯酰胺为功能单体，利用表面分子印迹技术和沉淀聚合法得到了表面具有定制孔结构的分子印迹纳米通道膜（BI-MIPs/AAO），为纳米通道传感体系的高选择性分子识别提供一种新思路，拓展其在更多领域的分析研究。

图2. BI-MIPs/AAO分子印迹纳米通道膜的作用机制。

在BI-MIPs/AAO纳米通道膜中，BI-MIPs表面的印迹孔穴与BI分子构型匹配，与非印迹纳米通道膜（BI-NIPs/AAO）相比，通道尺寸增加，离子电流升高。当BI分子通过时，其与印迹孔穴特异性结合，导致通道变窄，电流下降。与BI-NIPs/AAO不同，再次加入不含BI的KCl溶液后，BI-MIPs/AAO的电流未恢复，表明BI分子被稳定吸附在印迹孔穴中，而非静电吸附。该结果证实空间位阻是电流变化的主因，并通过DFT、分子动力学和COMSOL模拟验证，计算结果与实验一致。

5、总结与展望：

本研究通过分子印迹技术的引入，成功提出了一种通用的方法来构建能够选择性分子构象识别的纳米通道传感器，解决了传统上依赖于化学键相互作用的纳米孔传感选择性的长期挑战。该方法已成功应用于10种不同农药分子的高选择性检测，实现了离子电荷和分子构型的双重识别。机理研究表明，传感器表面的分子印迹孔具有吸附特性，表明了作为环境污染物吸附剂的潜在应用前景。这种能力有助于减轻污染物对海洋生态系统和人类健康的影响，促进环境的可持续发展。

6. 心得体会

这项研究不仅在材料设计上实现了突破，更在分析检测领域应用中展现了巨大的潜力。该研究中运用的构建思路为纳米通道膜的构筑提供了更多启发，使其不仅可以用于生物分子的分析检测中，还可将纳米通道膜应用到工业、农业等各个领域的标志物分析与识别，甚至是同类物质的分离纯化中。未来，随着研究的深入，纳米通道多重识别传感器有望在更多领域得到实际的应用与发展，为解决全球环境监测提供新思路以及新方法。

7、导师介绍

孔彪，复旦大学研究员、博士生导师，复旦大学附属中山医院双聘教授，聚合物分子工程国家重点实验室研究员PI，海尔绿色再循环研究院院长，入选国家高层次人才青年项目，上海市高层次人才特聘专家，担任国家重点研发计划首席科学家，国际Frontiers系列刊物副主编，Chinese Chemical Letters编委，Materials Today Sustainability期刊编委，Nano Research期刊青年编委以及SCIENCE CHINA Materials青年工作委员会委员。曾获上海市自然科学一等奖，侯德榜化工科学技术奖青年奖，中国化工学会科学技术奖，宝钢教育基金会特等奖学金，澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖，中国分析测试协会科学技术奖一等奖，2023&2024全球前2%顶尖科学家。相关研究已在Nature Chem., Nature Sustain., Nature Commun., Science Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等SCI期刊发表学术论文近160篇，论文引用次数近16000次，h指数61。