在现代医学和健康管理领域，快速、准确、便携的健康监测技术正成为研究和应用的热点。尿液作为人体最易获取的生物样本之一，蕴藏着丰富的代谢信息，能够直接反映营养状况、运动代谢、药物反应乃至疾病早期信号。然而，传统代谢组学分析依赖核磁共振（NMR）、液相色谱（LC-MS）等大型设备，不仅操作复杂、成本高昂，而且需要专业人员操作，难以满足家庭自测、运动场景监测或偏远地区医疗等即时检测需求。

最近，我们课题组开发了一种基于工程化耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）纳米孔的便携检测平台（图1）。该技术仅需一滴尿液，即可实现肌酐、牛磺酸、组氨酸、1-甲基组氨酸、3-甲基组氨酸、次黄嘌呤等六种关键代谢物的高效检测与精准区分，准确率达98.5%。在饮食与运动干预的动态监测实验中，纳米孔传感器不仅能准确捕捉代谢物浓度变化趋势，检测结果还与传统的液相色谱-质谱串联技术（LC-MS/MS）高度一致，为人体健康监测提供了精准、便捷的新方案。

图1：纳米孔尿液分析及其应用。

针对尿液中代谢物种类繁多且浓度动态范围广的复杂特性，我们首先筛选优异性能的工程化纳米孔作为传感检测器。基于课题组前期研究基础，我们系统评估了四种工程化MspA纳米孔（M2 MspA、MspA-90PBA、MspA-NTA-Cu及MspA-NTA-Ni）的传感性能（图2）。实验结果表明，MspA-NTA-Ni在目标代谢物的特异性识别、信噪比及检测重复性等方面均显著优于其他纳米孔，因此被确定为尿液分析的理想传感检测器。

图2：不同工程化纳米孔用于尿液代谢物检测的性能对比。

为聚焦关键研究目标，我们从众多尿液代谢物中选择五种具有重要生理和病理意义的代谢物作为研究对象。实验显示，肌酐、牛磺酸、组氨酸、1-甲基组氨酸、3-甲基组氨酸均能产生高度特异性信号，充分验证了MspA-NTA-Ni纳米孔对目标代谢物的精准识别能力。为进一步提升区分精度，我们引入机器学习算法，构建的分类模型最高准确率达到99.7%，实现了五种目标代谢物的精准鉴别。为实现尿液代谢物的快速分析，我们开发了全自动检测流程。如图3所示，MspA-NTA-Ni纳米孔传感器可直接分析原始尿液样本，无需复杂前处理即可实现代谢物快速检测，极大简化了分析步骤。

图3：MspA-NTA-Ni纳米孔对尿液样本的自动化分析流程。

为进一步验证该技术的应用潜力，我们将该技术用于饮食与运动干预的动态监测实验中（图4）。实验结果表明纳米孔传感器不仅能准确捕捉代谢物浓度变化趋势，检测结果还与传统的液相色谱-质谱串联技术（LC-MS/MS）高度一致。这一创新技术突破了传统尿液分析依赖专业设备、操作复杂的瓶颈，为居家健康监测、痛风及糖尿病等代谢性疾病的早期预警，以及营养代谢评估与运动生理研究提供了高效、精准的新工具。

图4：基于MspA-NTA-Ni的运动干预后尿代谢物动态监测。

该工作以“In-house nanopore analysis of urine metabolites and its applications in nutrition and sport monitoring”为题，于2025年8月5日在《Matter》发表（论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238525003728）。南京大学化学化工学院黄硕教授为该论文唯一通讯作者，南京大学硕士生李奎、厉田和博士后王可凡为该论文共同第一作者。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学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, 223B2402）、中央高校基本科研业务费资助项目（项目编号：020514380336）、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室（项目编号：5431ZZXM2509）、中国博士后科学基金资助项目（项目编号：2022M721554、2023T160300）、江苏省卓越博士后计划（项目编号：2023ZB643）等经费支持。