南京大学化学学院黄硕团队：天然水体中金属离子的纳米孔分析

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文章导读

你是否想过，只需一个微型传感器，就能从一杯河水中精准揪出十种潜在有毒金属离子？南京大学黄硕团队最新突破，让这成为现实。他们基于MspA纳米孔，创新引入IDA适配器，构建出高灵敏、可逆响应的传感器，首次实现对十种常见二价金属离子（如铅、镉、铜等）的快速区分检测，机器学习识别准确率高达99.6%。更关键的是，该方法已成功应用于天然水体样本，无需复杂设备即可完成现场分析，为水污染监测、生态安全预警提供了全新工具。这项成果已在《Nature Water》发表，或将重塑环境检测的未来格局。

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金属元素所具备的卓越的导电、导热与催化性能，使其在众多工业领域中扮演着不可替代的角色。除了工业用途之外，金属在环境稳态中也起着至关重要的作用。例如，Mg²⁺对光合作用和碳循环至关重要，从而维持生态平衡。相反，重金属离子带来重大风险：即使浓度极低，它们也会破坏水生生态系统并在食物链中积累，威胁生物多样性和人类健康。2025年7月1日，甘肃省天水市麦积区褐石培心幼儿园因使用不合格的食品添加剂，导致部分幼儿血铅异常，造成严重的铅中毒事件。因此，监测金属离子的浓度和形态对维护生态平衡和人类健康至关重要。

传统的检测金属离子的方法通常依赖于笨重的仪器，需要复杂的操作，并且难以平衡灵敏度和便携性。因此，需要开发一种便携式、快速、经济高效的策略来应对这些挑战。

近日，我校化学化工学院黄硕教授课题组基于异质耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）孔道，实现了多种常见二价金属离子（M²⁺）的直接检测区分。该团队发现，以Cu²⁺为模型分析物进行研究，次氮基三乙酸（NTA）适配器修饰的MspA（MspA-NTA）因与Cu²⁺具有很强的配位相互作用，导致结合过程不可逆。相比之下，亚氨基二乙酸（IDA）适配器修饰的MspA（MspA-IDA）与Cu²⁺配位相互作用较弱，可实现Cu²⁺的可逆检测（图1）。结果表明，与MspA-NTA相比，MspA-IDA更适合作为检测M²⁺的传感器。

南京大学化学学院黄硕团队：天然水体中金属离子的纳米孔分析

图1:纳米孔筛选

研究团队在MspA孔道识别位点处引入单个IDA适配器，构建MspA-IDA传感器（图2）。基于IDA适配器和M²⁺之间的配位相互作用，研究团队使用MspA-IDA纳米孔成功检测了常见的十种M²⁺，分别是Sn²⁺，Cu²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺，Fe²⁺，Co²⁺，Mg²⁺，Ni²⁺。机器学习识别准确率高达99.6%。与以往仅能检测少数M²⁺的纳米孔方法相比，本研究策略较为简便，更将可检测M²⁺成功拓展至十种，为迄今该领域报道中数量最多。

南京大学化学学院黄硕团队：天然水体中金属离子的纳米孔分析

图2: 基于MspA-IDA纳米孔的M²⁺检测

随后，研究团队将该策略应用到天然水样的M²⁺分析中，推动纳米孔技术的实际应用（图3），借助纳米孔平台，成功识别不同天然水样中含有的M²⁺种类和含量。该方法可快速分析天然水体中的M²⁺，为可持续水资源管理、污染控制和生态保护提供工具。

南京大学化学学院黄硕团队：天然水体中金属离子的纳米孔分析

图3:天然水体中M²⁺的纳米孔分析

该工作以“Iminodiacetic acid modification enables nanopore identification of major divalent metal ions in natural water samples”为题，于2026年1月6日发表在《Nature Water》（DOI：https://doi.org/10.1038/s44221-025-00544-2）。我课题组博士生孙雯为该论文第一作者，黄硕教授为论文通讯作者。此项研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费资助项目等经费支持。