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各有利弊。原子吸收光谱法（AAS）作为一种基础技术，广泛应用于元素组成分析，却难以实现多元素的同步检测。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）具有极高的灵敏度、低检出限和多元素分析能力，但它需要较高的成本和专业的操作技能。这些技术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，仍然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，这种策略可集成高灵敏度、易用性和便携性等功能，以实现金属离子的高效检测。
近日，公司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。在本工作中，研究团队通过优化纳米孔道，成功实现了十种常见M2+的鉴定，展现出MspA孔道优异的空间分辨率。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。
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+。实验结果表明，在检测过程中，每种M2+均产生特异性纳米孔事件，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。
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）。他们分别收集来自不同地点的水样，然后借助纳米孔平台，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样中的M2+，为可持续水资源管理、污染控制和生态保护提供工具。
图3:天然水样中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）。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。此项研究得到了生命分析化学全国重点实验室以及太阳成集团化学和生物医药创新研究院（ChemBIC）的重要支持，科技部国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1304602，2023YFF1205900）、国家自然科学基金（项目编号：22225405，22225404，223B2402）、中央高校基本科研业务费资助项目（项目编号：020514380336）等经费支持。