《Trends in Food Science & Technology》：Transforming from ‘natural tools’ into ‘custom sensors’: combining directionally designed biological nanopore electrochemistry sensing lumens with AI-driven analytics to pioneer a new paradigm for food analysis
编辑推荐：
生物纳米孔技术通过单分子检测实现无标记、高通量、低成本分析，AI助力信号识别与通道蛋白设计，提升食品危害与营养素检测的准确性，推动从疾病治疗向健康预防的政策转型。
余彦阳|邓永飞|崔志勇|王月明|张晨曦|王金娜|张丹妮|周天星|龚传月|张胜利
上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系，中国上海200240
摘要：
背景
在复杂的食品基质中检测微量分析物面临着双重挑战：识别威胁公共安全的危害物质和表征有益的微量营养素。同时实现高灵敏度和优异的特异性是提高食品安全和质量控制的关键要求。受到生物分子识别和跨膜传输的启发，生物纳米孔作为能够捕获和识别单一目标分子的有前景的传感元件应运而生。
范围和方法
本综述首先概述了基于生物纳米孔的单分子传感平台的构建和工作原理，详细介绍了关键的设计策略和工程方法。此外，本文还重点介绍了人工智能增强型纳米孔电化学传感领域的最新发展和趋势，包括深度学习辅助的信号分析、动态模拟引导的设计以及新型通道蛋白的从头设计，强调了跨学科整合的必要性。随后，我们全面回顾了生物纳米孔在食品分析中的最新应用。
主要发现和结论
生物纳米孔技术在食品分析中具有显著优势，包括无标记、高通量和低成本操作，同时提供独特的单分子分辨率和丰富的物理化学信息。从数据分析到传感器设计，人工智能的参与正在推动这一领域的发展。这些进展预示着纳米孔传感在提升食品安全监测和营养质量评估方面的更广泛应用。
引言
近年来，食品和环境基质中各种污染物的存在引起了全球政府和公民的日益关注，这些污染物可能出现在种植、田间管理、收获和储存加工等不同阶段（Gao等人，2024年）。由于这些危害物质具有热稳定性、持久性和不可降解性，它们可能在环境中长期存在并积累，并通过摄入、吸入或皮肤接触进入人体。值得注意的是，即使是在微量浓度下，也可能引起严重的神经毒性、肾毒性和肝毒性效应，表现为恶心、呕吐、腹痛、寒战和腹泻等症状，并具有潜在的致癌风险（Han等人，2022年）。此外，食品中多种有毒物质的共存可能对人类健康产生协同的不良影响（Zhang等人，2020年）。为了减轻这些风险，欧盟、美国和中国的监管机构已经为食源性危害物质制定了严格的最大残留限量（MRLs），并制定了标准化的分析方案（Chen等人，2023年）。同时，公众健康意识的提高也推动了对精确营养信息的需求，特别是关于微量营养素的影响。研究表明，微量营养素的缺乏或过量可能会损害免疫功能、扰乱代谢稳态或增加慢性疾病的风险（Pike & Zlotkin，2019年）。为了解决这一挑战，食品标签法规现在要求明确标注能量含量、宏量营养素（蛋白质、脂肪和碳水化合物）和关键微量营养素（Batista等人，2023年）。这些双重监管举措使消费者能够做出明智的饮食选择，同时为营养干预建立了基于证据的框架，反映了公共卫生政策从“疾病治疗”向“健康预防”的转变趋势，为建设更健康的社会提供了关键支持。
在监管要求的推动下，食品中危害物质和营养素的分析技术取得了显著进展。色谱-质谱法经过数十年的严格验证，仍然是食品分析的黄金标准（De Girolamo等人，2022年）。尽管这种方法能够精确量化化合物的微量水平，但“预采样”和“仪器分析”这两个关键且独立的阶段，加上需要使用大型昂贵的仪器以及依赖专业操作人员，使得无法实现快速的现场检测（Santana-Viera & Lara-Martin，2023年）。这一限制激发了对快速检测平台的极大兴趣。ELISA和ICTS在特定背景下克服了一些挑战，它们的成功商业化已被证明适用于食品营养和安全的现场检测。然而，食品基质中复杂的成分（包括蛋白质、碳水化合物、脂质和膳食纤维）的干扰往往会导致ELISA和ICTS结果的假阳性和重复性降低（Younes等人，2023年）。
生物纳米孔技术作为一种变革性的解决方案，解决了这些瓶颈问题。与ELISA的多步骤、依赖抗体的工作流程不同，纳米孔技术通过监测单分子水平的离子电流变化实现直接、无标记的检测。此外，虽然像LC-MS这样的实验室规模仪器非常适合集中式实验室环境，但纳米孔传感器的低功耗和小型化促进了现场检测，将采样、预处理和分析整合到一个统一的工作流程中。同时，从群体平均测量转向单分子分析大大减少了所需的样本量。通过提供实时、高分辨率的数据，纳米孔平台不仅补充了现有标准，还提供了额外的信息。例如，纳米孔技术可以在原位环境中模拟生物事件的单分子动态过程，如抗生素通过跨膜通道蛋白的运输和扩散，帮助研究人员深入了解其运输和作用机制（Mahendran等人，2009年）。此外，它还可以监测各种特定识别元件（纳米抗体、适配体、酶）与配体之间的结合状态，包括结合表位和相互作用动力学，从而有助于探索更深层次的关联和 dissociation 机制（Li等人，2015年）。至关重要的是，纳米孔技术能够区分结构相似的物质，包括天然产物异构体、手性分子和不同聚合度的寡聚物，揭示了控制复杂基质中电化学行为的结构-功能关系（Zhao等人，2024年）。另一方面，同样重要的是要注意，在复杂基质中纳米孔检测的单分子异质性会产生大量数据集，给实时分析带来计算瓶颈。因此，由算法和自动分析辅助的AI驱动的信号识别是不可或缺的。
作为食品工业4.0的变革性推动者，AI被定义为具有自适应学习能力、强大的分析能力和决策自主性的计算系统（Zhou等人，2025年）。它越来越多地被用于解决食品安全、加工、蛋白质设计和供应链优化等复杂挑战（Cui等人，2025年；Mu等人，2024年；Yudhistira等人，2024年）。尽管关于AI在食品工业中的作用的研究正在增长，但关于其在生物纳米孔和食品成分分析中的应用仍缺乏系统的总结。本综述旨在填补这一空白，详细介绍了该领域的最新进展，重点介绍AI如何提高纳米孔信号识别的准确性，并指导生物纳米孔的合理设计。此外，本综述还将综合生物纳米孔在食品分析领域的关键战略方法和最新突破，同时预测基于纳米孔的食品危害和营养素检测与分析的潜在趋势和未来应用场景。
生物纳米孔的起源和主要类型
生物纳米孔主要来源于天然存在的孔形成蛋白、肽和DNA，在脂质双层中自组装成纳米级通道，从而限制分子相互作用（Wu & Gooding，2022年）。特别是，蛋白质纳米孔具有多样的残基序列和结构形式，能够进行各种离子和生物分子的跨膜传输。它们的天然来源还提供了独特的优势，包括结构可重复性和明确的孔径
调节生物纳米孔的EPF和EOF
EOF是一种现象，外部电场诱导反离子通过纳米孔带电内壁移动，推动液体在纳米孔腔内的整体定向流动，这种现象提高了分子捕获效率。相比之下，EPF通过非均匀电场中的直接静电相互作用驱动带电分析物的运动。作为控制生物纳米孔中分子传输的两个关键力量，EOF和EPF表现出复杂的相互依赖性
AI模型对单分子的准确识别
通过生物纳米孔检测分析物依赖于对瞬态离子电流阻塞的分析。表征这些事件的关键参数包括阻塞幅度、停留时间和事件频率，反映了分析物与纳米孔之间的特定相互作用，这些参数的组合为分析物提供了独特的特征（Wei等人，2019年）。在处理复杂样本基质时，AI通过深度学习算法提高检测准确性
食源性危害分子
化学农药对于保护作物产量和质量免受害虫、疾病和杂草的侵害至关重要，但其广泛滥用导致农产品受到有害残留物的持续污染。值得注意的是，常见的农药类别，包括有机磷和氨基甲酸酯，通过抑制乙酰胆碱酯酶活性产生神经毒性效应，还与免疫毒性和心脏毒性有关（Ren等人，2024年）。为了快速检测农药
挑战和前景
尽管基于生物纳米孔的单分子传感平台在食品危害和营养素分析方面取得了显著进展，但仍需解决几个关键挑战以实现更广泛的应用。
1)基于新型相互作用的纳米孔的开发：目前，常见的共价化学反应，如马来酰亚胺和苯硼酸的亲核取代反应，以及阳离子和半胱氨酸的配位反应，已被广泛用于
结论
在AI的指导下，纳米孔电化学传感技术将食品分析从传统系统测量提升到了单分子水平，为检测食品危害和营养素提供了有效的解决方案。在本文中，我们全面回顾了纳米孔电化学传感技术在食品检测中的应用，从生物纳米孔的开发及其基本原理开始
未引用的参考文献
Fan等人，2024年；Fan等人，2024年；Liu等人，2022年；Liu等人，2022年；Lucas等人，2021年；Lucas等人，2021年；Wang等人；Wang等人，2023年；Wang等人，2022年；Wong和Muthukumar，2007年；Yao等人，2024年；Yao等人，2024年；Ying等人，2018年。
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报告的工作。
CRediT作者声明
余彦阳：概念化；调查；可视化；撰写——原始草稿。邓永飞：撰写——审阅与编辑；可视化。崔志勇：正式分析；撰写——审阅与编辑。王月明：撰写——审阅与编辑；调查。张晨曦：撰写——审阅与编辑；调查。王金娜：撰写——审阅与编辑。张丹妮：撰写——审阅与编辑。周天星：撰写——审阅与编辑。龚传月：撰写——审阅与编辑。张胜利：项目
致谢
本工作得到了中国自然科学基金（资助编号32372420）的支持。
