單原子材料在電化學生物傳感中的研究進展

江博文，陳敬軒，成永華，桑 微，寇宗魁

（武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室,武漢 430070）

健康實時監(jiān)測系統(tǒng)能通過生物傳感實時跟蹤分析人體的生理病理信息，該系統(tǒng)有可能增強不同應用領域的醫(yī)療保健服務，在健康診斷、早期癥狀檢測和疾病快速篩查等方面具有顯著優(yōu)勢［1］.在新冠肺炎病毒（COVID-19）大流行之際［2，3］，在沒有開發(fā)特效藥之前，對病毒等生物目標分子的實時檢測非常重要［4］.目前，對病毒的檢測主要使用實時熒光定量聚合酶鏈式反應（PCR）和免疫學（試紙和酶聯(lián)免疫吸附測定）的方法［5，6］，但是這兩個方法都無法到達對單個生物分子的檢測水平，導致檢測結果常出現(xiàn)假陰性（即患者體內有病毒，但是因為載量過低而難以檢測）.如圖1（A）所示，檢測血液或唾液中感染的細菌或者病毒，需要檢測的靈敏度達到10?17～10?14范圍內，即為pmol以下，這已超過現(xiàn)有多種檢測靈敏度（10?12～10?9，pmol～nmol 水平）100倍以上［7］，所以難以實現(xiàn)超低濃度生物分子的準確檢測.鑒于此，快速檢測超低濃度的生物分子成為目前生物檢測中亟需解決的關鍵問題［8～10］.

Fig.1 Applications of bacterial detection(green),viral targets(purple),and cancer biomarkers(blue: circulating tumor cells,red: protein biomarkers,orange: circulating nucleic acids)(A)[7],a portable sensing platform using an all?in?one screen?printed electrode(SPE) and a hand?held commercial potentiostat(PalmSens)(B)[12]

電化學生物傳感器是一種將外界探測到的生物信號轉換成電信號的裝置［圖1（B）］［11，12］，其主要是由換能器與探針組成［13］.電化學生物傳感器的原理主要是通過在探針上負載生物識別元件（如生物酶、抗原和抗體等），當生物識別元件與特定的生物分子接觸時，其生物信號會通過換能器轉變成電信號（如變化的電流、電壓或電阻等），從而實現(xiàn)對生物分子定性定量的檢測.同時，電化學傳感還具有專一性強、分析速度快、準確性高、操作簡單等優(yōu)勢［14～16］，但受限于生物酶較差的穩(wěn)定性和高成本［17，18］，阻礙了電化學傳感器的商品化.如何實現(xiàn)高的選擇性和靈敏性是電化學生物傳感器面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一.

隨著納米材料與表征技術的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)將研究領域聚焦到原子級別，2011年，張濤課題組［19］首次提出“單原子催化劑（Single-Atom Catalysis）”的概念，并成功制備了可以極大提高貴金屬利用率的Pt1/FeOx單原子材料（SAM）.SAM具有單一的電子軌道與原子結構，這使其具有媲美于生物酶的統(tǒng)一活性位點［20］，此外，SAM相比于普通催化劑還具有很多其它優(yōu)勢（理論上百分百的原子利用率［21］、不飽和配位環(huán)境［22］、量子尺寸效應［23］和獨特的電子云分布［24］），使得SAM具有高原子經(jīng)濟性、高活性與高選擇性［25］.單原子的統(tǒng)一活性位點使其擁有媲美于生物酶等的選擇性，可以替代生物元件負載在電極表面，當化學環(huán)境統(tǒng)一的單原子與特定的生物底物接觸時，其單原子的電子軌道會發(fā)生顯著的改變，通過換能器將生物信號轉換成電信號并放大［26］，突破材料上的靈敏性與選擇性極限的同時，兼?zhèn)鋬?yōu)異的穩(wěn)定性.單原子探針將有望極大地提高對底物的檢測靈敏度，放大生物傳感信號，并有望超過目前現(xiàn)有檢測靈敏度兩個數(shù)量級以上，同時大幅縮短檢測樣品的用量與時間，實現(xiàn)高通量的健康實時監(jiān)測分析.

研究表明，均一的單原子配位結構是實現(xiàn)其高選擇性電化學傳感的先決條件［22］.本文綜合評述了常見的合成均一配位結構SAM的方法，并重點介紹了SAM在電化學生物傳感上的應用.最后，展望了SAM在傳感領域的發(fā)展前景，并對該領域未來的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)進行了廣泛概述.

1 均一配位結構單原子的合成方法

在SAM的合成中，大多數(shù)合成策略是通過物理或化學限域效應來獲得單原子，但合成過程中單原子團聚的現(xiàn)象仍不可避免，導致難以實現(xiàn)高負載單原子，因此需要調控其局域配位結構從原子尺度限制單原子的團聚.同時，為了實現(xiàn)高的生物分子監(jiān)測選擇性，需要構筑具有均一配位結構的SAM，從而獲得統(tǒng)一的活性中心［27］.因此，本文重點總結了均一配位結構單原子合成方法的最新研究進展.

1.1 配位優(yōu)選法

配位優(yōu)選法利用金屬離子配合物，通過其強大的配位環(huán)境在熱解過程中將金屬固定，避免SAM在高溫下聚集而導致失活.同時金屬原子與雜原子之間的配位方式?jīng)Q定了熱解產(chǎn)物的原子結構，從而獲得均一配位環(huán)境的SAM.2016年，Li等［28］利用金屬-有機框架（MOF）載體，將Co與Zn雙金屬進行負載并熱解，在N2氣氛下進行退火處理，MOF的熱解可以生成N摻雜的多孔碳，得到了一種穩(wěn)定的Co-N4配位環(huán)境的Co SAM，同時Zn原子的引入可以有效調控Co原子間距，并阻止Co原子的團聚，Co SAM的負載量高達4%.研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，一定數(shù)量的Co—N鍵斷裂，從而得到另一種Co-N2配位環(huán)境的Co SAM.此外，Mn原子同樣可以得到類似Co-N4的穩(wěn)定配位環(huán)境，2018年，Wu等［29］采用兩步摻雜和吸附法，成功地增加了三維（3D）碳顆粒中原子分散和氮配位Mn-N4的密度.首先，將錳摻雜的ZIF-8前驅體碳化，然后用酸溶液清洗，以制備具有最佳氮摻雜和微孔結構的部分石墨化碳主體.其次，額外的Mn 和N 源被吸附到3D 碳主體中，然后進行熱解，以產(chǎn)生更高密度且均一的Mn-N4活性中心［圖2（A）］.除金屬Co與Mn外，其它金屬同樣可以實現(xiàn)類似氮配位結構，2019年，Yang等［30］通過將多種金屬陽離子與1，10-菲咯啉絡合，再將所得金屬配合物與商業(yè)炭黑共混，煅燒，成功合成了分布均勻且化學環(huán)境統(tǒng)一的Ni，F(xiàn)e，Cr，Cu，Zn，Ru，Pt或它們組合的SAM，該方法主要是利用金屬配合物會在炭黑表面形成“類卟啉”的穩(wěn)定氮配位結構，從而防止了單原子團聚失活，該策略實現(xiàn)了單原子的通用合成和量級生產(chǎn).

Fig.2 Schematic of atomically dispersed Mn?N4 site catalyst synthesis(A)[29],schematic illustration of WCx?FeNi catalyst consisting of Fe and Ni atoms stabilized on WCx nanocrystallites(majority component)surrounded by carbon sheets(B)[31]

雖然上述氮配位結構的SAM具有很高的穩(wěn)定性，但強配位環(huán)境極大影響了金屬單原子中心的電子環(huán)境，從而導致它們的催化活性降低.因此，Li等［31］利用含有茶酚和氨基的有機小分子作為多種金屬鹽的鍵合單元與Fe，Ni，離子組裝，獲得了結構均勻的金屬有機配位雜化前驅體材料，再通過調控熱處理條件，獲得了基于金屬基碳化鎢納米晶體，并且具有非氧、氮、硫等雜原子強配位的Fe，Ni，F(xiàn)eNi單原子催化劑［圖2（B）］，其實現(xiàn)了Fe和Co雙金屬單原子的高效負載及雙金屬中心的協(xié)同催化作用，并展現(xiàn)了優(yōu)異的析氧反應（OER）性能.

1.2 自限反應原子層沉積法

原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）是一種用于薄膜生長的氣相催化劑合成技術［32］.ALD技術主要是將氣相前驅體脈沖交替通入反應器［33］，并將其吸附在具有表面官能團或具有高能表面載體缺陷位點上的方法，其利用前驅體分子之間的空間位阻和前驅體分子與載體之間的自限反應，進行單原子化學環(huán)境的精確調控（如實現(xiàn)對雙核單原子位點的調控）.2017年，Yan等［34］通過ALD將Pt原子沉積到具有豐富酚或苯羰基對的石墨烯載體中［圖3（A）］，并成功獲得了具有雙Pt同源的雙金屬活性位點催化劑，兩個Pt中心之間的平均距離約為0.3 nm，雙Pt催化劑對氨硼烷制氫表現(xiàn)出超高的活性和穩(wěn)定性.ALD可以實現(xiàn)同源雙核SAM的制備，還可以實現(xiàn)異源雙核SAM的制備.2019年，Zhang等［35］通過ALD，在氮摻雜的碳納米管上將單分散的Pt原子均勻分散在載體上.隨后，在270 ℃下，使用雙（乙基環(huán)戊二烯基）釕（II）作為前驅體，選擇性地將Ru 原子沉積在Pt 單原子上，成功制備了Pt-Ru SAM［圖3（B）］，這種Pt-Ru鍵合的結構在析氫反應上展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能和穩(wěn)定性；此外，ALD 循環(huán)次數(shù)和沉積溫度同樣可以實現(xiàn)不同負載量、形貌、尺寸、密度的單原子催化劑的合成，Xu 等［36］通過ALD技術，將高度分散的SAM Pt和Pt納米團簇沉積到Fe改性的KL沸石上，在Pt ALD中，獲得的催化劑稱為PtFe-n/KL（n=1，2 或3），具體取決于Fe ALD 循環(huán)的次數(shù).PtFe-1/KL 對于正庚烷芳構化表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和優(yōu)異的催化性能（芳烴選擇性達到90.1%）.

Fig.3 Schematic illustration of bottom?up synthesis of dimeric Pt2/graphene catalysts(A)[34],schematic illustration of ALD synthesis of Pt?Ru dimers on nitrogen?doped carbon nanotubes(B)[35]

1.3 離子交換法

離子交換法是利用金屬離子活性中心交換的過程，在保持原有基體骨架不變的基礎上，控制催化劑材料的尺寸、形狀、成分與內部結構的一種合成策略［37］.根據(jù)離子交換的驅動力，可分為溶液離子交換、高溫離子交換和電化學離子交換.2017 年，Pardo 等［38］利用溶液離子交換將MOFs 中的Mg2+和Cu2+離子轉化為更穩(wěn)定的Ni2+和Cu2+離子，而后用［Pd（NH3）4］2+交換部分Ni2+離子，并用NaBH4還原得到最終化合物Pd4-MOF［圖4（A）］，其在卡賓介導的重氮乙酸鹽反應中優(yōu)于其它金屬催化劑，產(chǎn)率高于90%；2018年，Pardo課題組［39］繼續(xù)采用溶液離子交換并用NaBH4還原的方法得到Pd2-MOF，其在低溫催化CO2加氫制備甲烷的反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能.2020年，Zhou等［40］提出了一種高溫陽離子交換策略，其依賴于硫化物和富氮聚合物殼層的陰離子框架，在高溫過程中，陰離子框架會在碳化過程中產(chǎn)生富S和富N的空位，低沸點的母體金屬Cd升華的同時，Cu原子再遷移到碳骨架上的空位中，并產(chǎn)生邊緣雙修飾Cu催化劑［圖4（B）］，S和N雙修飾進一步促進了交換金屬Cu物種的穩(wěn)定.實驗和理論結果均表明，在室溫下苯的催化羥基化反應中，精確獲得的S，N雙修飾Cu位具有高活性和低反應能壘.2022年，Xiao等［41］開發(fā)了一種原位電化學驅動陽離子交換方法，其利用電化學對金屬原子的氧化還原制造空位缺陷，成功使Ru單原子填充MnO2中的陽離子空位，并保留基體骨架.這種獲得的催化劑表現(xiàn)出比商業(yè)RuO2高44倍的催化活性，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性.

Fig.4 Schematic illustration of the formation of Pd4?MOF catalyst(A)[38],scheme illustrating the proposed formation mechanisms of Cu SAM(B)[40]

2 單原子材料在電化學生物傳感中的應用

SAM具有完全暴露的原子活性位點、特殊電子結構和不飽和配位環(huán)境等特性，在電催化、光催化和生物催化等領域已展現(xiàn)出十分優(yōu)異的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性［25，42］.在電化學生物傳感領域，與傳統(tǒng)納米結構材料相比，SAM在實現(xiàn)高效傳感信號放大方面具有更大的優(yōu)勢.通過介紹近年來SAM在電化學、電化學發(fā)光和其它生物傳感方式中的應用（表1）［43～54］，對未來高靈敏、高選擇性電化學生物傳感材料的發(fā)展進行了展望［55，56］.

Table 1 Summary of single-atom materials biosensing

2.1 在電化學生物傳感中的應用

單原子電催化劑具有獨特的結構優(yōu)勢，在電解水、CO2還原和N2還原等領域得到了廣泛的應用［57，58］.傳統(tǒng)的電化學生物傳感通常利用生物酶、抗原和抗體等生物材料作為探針，導致其存在對溫度敏感，只能在有限溫度范圍內進行檢測；其次是壽命短，在應用環(huán)境極端惡劣情況下，難以長時間保持檢測的準確度.隨著納米材料和表征技術的不斷發(fā)展，已研發(fā)出一些單原子電催化劑與識別、電子元件結合集成的電化學生物傳感器，可用于增強傳感檢測信號［59］.這些電化學生物傳感器不僅可提高電化學生物傳感的使用壽命，同時還具有操作簡單、靈敏度高、經(jīng)濟等優(yōu)點，在識別金屬離子、小分子、蛋白質和DNA檢測領域具有廣泛應用［60］.

多巴胺（DA）是人體內一種重要的神經(jīng)遞質生物分子，能夠在腎臟、心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中傳遞興奮和幸福的信息，在許多生理、病理方面起著至關重要的作用，因此實現(xiàn)對DA的高靈敏檢測意義十分重大［60，61］.二維（2D）材料常用于對DA的傳感檢測，在2D材料上合成單原子有利于提高傳感的靈敏度.Xie等［43］報道一種在片狀結構光滑表面上生長出單原子釕（Ru-Ala-C3N4）的方法，其結構與2D石墨烯結構類似［圖5（A）］，具有完美的仿生酶活性，可對DA進行高靈敏、高選擇性的電催化生物傳感檢測［圖5（B）和（C）］.在60～4.9×105nmol/L線性濃度檢測范圍內，具有20 nmol/L相對較好的檢測限度.Jin 等［44］通過一步熱解法在石墨烯上合成了以Fe-N5為活性中心的單原子催化劑（Fe-N5SAM），可用于DA電化學生物傳感檢測.Fe-N5SAM呈2D褶皺層狀，具有豐富的活性中心和獨特的電子結構，有利于提高電催化中的電子轉移.研究發(fā)現(xiàn)，以Fe-N5SAM構建的電化學生物傳感器在人體血清中進行DA檢測，具有高靈敏、良好的線性范圍和檢測下限的響應能力，并能穩(wěn)定回收［圖5（D）和（E）］.在5～5×105nmol/L線性響應范圍內，DA的檢測下限能達到0.007 nmol/L，有望實際應用于人體血清中.

Fig.5 Schematic diagram of structural single?atom Ru catalyst(A),selectivity of Ru?Ala?C3N4/GCE toward DA(B,C) [43],differential pulse voltammetry(DPV) selectivity test of the GCE/Fe?N5 SAM sensor toward DA(10.0μmol/L)having 1000 nmol/L of other biological,cations and anions in the solutions(pH=7.4)(D)and response time of the GCE/Fe?N5 SAM sensor towards DA(E)[44]

Ebrahimi 等［45］和Huang 等［62］都報道了一種通過Mn 摻雜的MoS2納米片合成的Mn-MoS2單原子催化劑，實現(xiàn)超靈敏電化學傳感檢測DA.與單一MnS2相比，Mn-MoS2的電荷轉移能力更強，靈敏度比前者提高4 個數(shù)量級.其中，Mn 原子主要以取代Mo 原子（MnMo）和吸附在Mo 原子頂部（MntopMo）兩種結構形式存在［圖6（A）］.相比較而言，MnMo比MntopMo更穩(wěn)定，并且前者數(shù)量是后者的2倍.在對DA進行吸附氧化過程中，MnMo對DA是物理吸附，MntopMo對DA是化學吸附［圖6（A）］.由于化學吸附難以轉移空穴對DA 進行氧化，因此MnMo更易轉移空穴，氧化DA.Mn-MoS2單原子催化劑在緩沖溶液中檢測限度為0.05 nmol/L，在10%血清中的檢測限為5 nmol/L，在人工汗液中的檢測限為50 nmol/L［圖6（B）～（D）］，可實現(xiàn)DA的檢測.單獨使用信號監(jiān)測傳感器（如晶體管等）難以準確靈敏地進行腦神經(jīng)活體的電化學監(jiān)測，通過與合成的SAM相結合而設計出的高靈敏生物傳感器，可以實現(xiàn)對腦神經(jīng)活體的電化學高效監(jiān)測.Hou 等［46］研究出一種用于生理相電化學傳感的SAM，他們在氮摻雜碳襯底上合成出以Co-N4為活性中心分散的Co單原子催化劑（Co SAM），對葡萄糖等生理相關化學品進行檢測［圖7（A）］.由于Co SAM 對H2O2具有獨特的電化學活性，而H2O2可以催化促進葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖.因此，Co SAM可以以葡萄糖氧化酶作為識別單元，進行電化學信號放大，建立起電化學葡萄糖生物傳感器，用于監(jiān)測大腦中葡萄糖的含量［圖7（B）］.此外，Co SAM還可以基于其它氧化酶來設計生物傳感器（如中樞神經(jīng)系統(tǒng)中乳酸、谷氨酸等化學物質進行活體生物傳感），為腦化學高精度活體分析提供一種新的方法.

Fig.6 Top and side views of DA interacting with MntopMo(neutral defect) forming a chemical bond and DA adsorbed(physisorbed) on MnMo(A),the detection of 500 nmol/L DA in artificial sweat containing 5000 nmol/L glucose(B),10%serum in PBS using Pt CE and Ag/AgCl RE(C)and PBS(D)[45]

Fig.7 Schematic of online electrochemical system(OECS) with the GOx/Co?SAM?based biosensor for continuous monitoring of glucose in the brain of rats(A),typical amperometric responses of the OECS toward the microdialysate sampled from rat striatum under normal state and after intra?peritoneal injection of 5 U insulin(B)[46],the oxidation of glucose at the concave?shaped Co SAM&GOx modified gate electrode(C),free energy diagrams for H2O2 oxidation reaction on concave?shaped Co SAM(red line)and pyrolyzed ZIF?8(black line)(D)[47]

在診斷糖尿病方面，開發(fā)高靈敏性能的葡萄糖傳感器也十分重要.傳統(tǒng)葡萄糖手指穿刺檢測存在靈敏度低、選擇性和穩(wěn)定性差等問題.Xiong等［47］也采用Co作為單原子活性中心，將合成的襯底換成凹面氮摻雜碳骨架.在凹面氮摻雜碳上合成出以CoN4為活性中心分散的單原子材料（Co SAM），其比平坦襯底上的Co 原子具有更高的電催化活性［圖7（C）］.通過理論計算研究了Co SAM 對H2O2氧化過程，發(fā)現(xiàn)其氧化過程遵循Eley-Rideal 機制，并且明顯降低了第一步氧化脫氫的勢壘［圖7（D）］，表明Co SAM對H2O2氧化更有利.因此，通過Co SAM對葡萄糖傳感過程中產(chǎn)生的H2O2氧化痕量進行檢測，實現(xiàn)了比無催化劑傳感器件的靈敏度高出1000倍的限制，拓展了SAM生物傳感器件在糖尿病診斷和醫(yī)療檢測的應用范圍.

2.2 在電化學發(fā)光生物傳感中的應用

電化學發(fā)光（ECL）是一種結合電化學和光致發(fā)光的新型分析方法，其本質是一種在電極表面產(chǎn)生的活性物質通過高能電子轉移轉化為激發(fā)態(tài)發(fā)光的發(fā)光技術，這種技術克服了單一傳感的限制.傳統(tǒng)光致發(fā)光生物傳感的分析技術不足，背景噪聲大.但電化學發(fā)光生物傳感可實現(xiàn)高重復性和準確性的啟動和調節(jié)傳感過程，這種方法對于被檢測物的精確檢測更具有優(yōu)勢.此外，電化學發(fā)光生物傳感器還具有響應速度快、操作過程簡單、無需外加光源和精準電位控制等優(yōu)點［59，63］.在傳統(tǒng)的H2O2-luminol ECL體系中，H2O2在室溫下易分解，難以定量分析.雖然O2-luminol ECL體系有更高的穩(wěn)定性，但ECL反應效率很低.納米材料作為共反應促進劑可以有效地提高O2-luminol ECL 體系的催化能力，從而提高ECL的反應效率.然而，由于金屬納米顆粒結構的復雜性，很難確定其確切的活性中心和區(qū)分催化機理［64］.為了克服這些限制，采用具有活性中心均勻分布的SAM，能更好地對檢測分子進行定量分析和提高對生物傳感的靈敏精確度［30，65］.

Fig.8 Two carbon?supported nickel SAM with the active centers of Ni?N4(Ni?N4/C)and Ni?N2O2(Ni?N2O2/C)(A),ECL intensity of the modified GCE with C,C?N,Ni?N4/C,and Ni?N2O2/C(B),selectivity of the de?veloped Ni SAM luminol ECL sensor(inset: linear relationship between AA concentration and ECL intensity)(C)[48],the mechanism of luminol?O2 ECL systems with Fe?N?C SAM as coreactant accelera?tor(D),the varied ECL signal with Trolox concentration in the range of 800—106 nmol/L(E),the linear relationship between the Trolox concentration and ECL peak intensity(F)[49]

利用碳基材料（如石墨烯和摻氮碳納米管等），制備成的傳感器直接檢測抗壞血酸（AA）存在靈敏度和選擇性低的局限性，通過在這些基底上合成金屬單原子可實現(xiàn)對AA 的高靈敏生物傳感.AA 是一種優(yōu)良的抗氧化劑，對壞血病、尿石癥和腹瀉等醫(yī)學診斷起著重要作用，因此實現(xiàn)對AA高靈敏檢測十分重要［66］.Gu 等［48］設計制備出在氮摻雜碳基底上具有兩種單原子Ni 活性中心的SAM，其分別以Ni-N4（Ni-N4/C）和Ni-N2O2（Ni-N2O2/C）為活性中心分布［圖8（A）］.該研究發(fā)現(xiàn)，這兩種單原子結構能夠高選擇性地將O2激活轉化為活性氧（ROS），并且增強O2-luminol ECL體系的信號［圖8（B）］，由于AA能夠消除ROS，會影響到ECL 的發(fā)射，從而實現(xiàn)對AA 的檢測.AA 濃度與ECL 強度在350～70000 nmol/L范圍內呈線性關系，檢測限度為95 nmol/L.此外，在檢測AA時，添加電解質、氨基酸等其它雜質未對ECL有明顯影響，對AA檢測具有良好的選擇性［圖8（C）］.因此，使用Ni SAM在O2-luminol ECL系統(tǒng)傳感中具有應用潛力.Zhu等［49］研發(fā)出一種在氮摻雜碳基底上合成以FeN4為活性中心分散的單原子催化劑（Fe-N-C SAM），其也可高選擇性地將O2激活轉化為ROS［圖8（D）］.與不添加催化劑的玻碳電極（GCE）、氮摻雜碳修飾電極和Fe3O4相比，F(xiàn)e-N-C SAM修飾的電極具有更大的ECL信號強度.通過使用異丙醇和苯醌來驗證Fe-N-C SAM 修飾的電極在O2-luminol ECL 體系中的活性中間體，證實了Fe-N-C SAM增強了ECL發(fā)射強度.對Trolox抗氧化劑進行檢測時，在800～106nmol/L范圍內呈線性響應，表現(xiàn)出對抗氧化劑較好的檢測能力［圖8（E）和（F）］.

在MOF上負載明確位置的單原子，也可以將其視為一種特殊的SAM，并且進行ECL分子功能化，可以用于ECL 生物傳感［67～69］.Huang 等［50］開發(fā)出一種新穎的、帶有分層孔殼的空心分層MOF（HH-UiO-66-NH2），進一步將Ru-（bpy）2（mcpbpy）2+作為配體中心，負載到HH-UiO-66-NH2載體上｛bpy=2，2′-聯(lián)吡啶，mcpbpy=4-（4′甲基-［2，2′-聯(lián)吡啶］-4-基）丁酸｝，得到HH-Ru-UiO-66-NH2［圖9（A）］.HH-UiO-66-NH2的中空空腔和介孔殼不僅提高了負載能力，而且促進了電子和離子的快速擴散，以及框架內的協(xié)同反應，以提高發(fā)光體的利用率.通過使用HH-UiO-66-NH2制備成ECL生物傳感探針，能夠實現(xiàn)對凝血酶（TB）的高靈敏度和低限度生物傳感檢測［圖9（B）和（C）］.Fang 等［51］以沸石咪唑作為骨架連接鋅原卟啉，生成了以ZnN4為活性中心，并且通過共價連接分散在ZIF-8 納米顆粒表面（ZnP-NH-ZIF-8）.ZnP-NH-ZIF-8在TB生物傳感檢測應用中具有優(yōu)良的性能.與單獨的ZnP和裸電極相比，制備的ZnP-NH-ZIF-8 在二氯甲烷和四正丁基高氯酸銨系統(tǒng)中表現(xiàn)出更好的氧還原反應催化動力學，ECL信號增強153倍.在結核適體和結核蛋白的選擇性識別檢測中，以ZnP-NH-ZIF-8制備的適體生物傳感器展現(xiàn)出10?7～0.001 nmol/L的更寬的線性響應范圍［圖9（D）］.

Fig.9 Diagram for construction of the HH?Ru?UiO?66?NH2 ECL aptasensor(A),ECL responses of different TB concentrations(B),calibrating plot for TB detection(C)[50],the ECL signals toward different TB concentrations of 10-7—0.001 nmol/L(D)[51]

2.3 在其它生物傳感中的應用

比色生物傳感方法是基于光學信號的生物傳感器，其具有簡單、成本低和靈敏度高的優(yōu)勢，通過視覺信號進行定量分析傳感底物的含量，具有廣闊的應用前景［70～72］.比色生物傳感的高靈敏度源自納米酶的高選擇性，而傳統(tǒng)納米酶存在活性中心密度低和元素分布不均勻兩大問題，單原子納米酶基于單原子活性中心集中，具有相同幾何構型和電子結構，使其具有高活性和高選擇性.利用單原子納米酶所具有的特性來實現(xiàn)快速、高靈敏生物傳感，已得到廣泛使用［73］.在氮摻雜碳基底中分散的金屬原子-氮鍵位點的單原子催化劑（M-N-C SAM），具有與天然氧化酶（OD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）等類似的催化活性，已成功用于比色生物傳感中［74］.

單原子鐵具有類OD活性，可用于高效檢測乙酰膽堿酯酶（AChE）.Zhu等［75］發(fā)現(xiàn)以FeN2為活性中心的Fe-N-C納米酶的類OD活性可以被疏基分子抑制［圖10（A）］.通過這一現(xiàn)象，實現(xiàn)對AChE和有機磷農藥（OPs）的靈敏和選擇性檢測.在AChE催化下，將其水解為硫代膽堿，硫代膽堿可以阻斷Fe-N-C納米酶中的單原子鐵，從而降低它們的OD活性.由于OPs對AChE活性的抑制，F(xiàn)e-N-C納米酶可以保持其OD活性，從而實現(xiàn)痕量OPs的靈敏比色生物傳感檢測.對于具有POD活性的單原子納米酶也進行了深入研究［76，77］.Guo等［78］開發(fā)一種FeN4-2B為活性位點的摻硼Fe-N-C納米酶［圖10（B）］，與未摻雜的相比，摻硼的Fe-N-C納米酶具有更高的POD酶活性、高溫耐受性和選擇性［圖10（C）］，理論推斷是由于硼摻雜誘導電荷轉移效應所導致.該單原子納米酶可實現(xiàn)對AChE活性和相應的OPs進行高靈敏生物傳感.關于Fe-N-C 納米酶固有的POD 酶活性位點與電子結構的相關性研究，如Xu 等［52］在AChE和OPs的靈敏和選擇性檢測實驗中，對以單原子鐵為活性中心的金屬-有機框架納米酶（MIL-101）進行POD 活性的研究.他們將硝基和氨基兩個相反電子調節(jié)官能團引入MIL-101 中，得到NO2-MIL-101 和NH2-MIL-101.結果表明，NO2-MIL-101 的POD 酶活性增強，而NH2-MIL-101 活性減弱.推斷硝基官能化的NO2-MIL-101 納米酶得到電子/幾何構型的改善，優(yōu)化了POD 酶活性.將NO2-MIL-101 用于AChE檢測，發(fā)現(xiàn)其對OH*具有低反應能勢壘，實現(xiàn)了0.2～50 mU/mL 范圍內AChE 的高靈敏檢測，并且也實現(xiàn)了對OPs的靈敏和選擇性檢測［圖10（D）和（E）］.

Fig.10 Schematic illustration of the inhibition of the oxidase?like activity of Fe?N?C SAzymes by mercapto molecules(A)[75],FeBNC SAzymes with similar single metal atom?based sites(B),the specific activi?ties(U/mg)of FeBNC SAzymes and Fe NC SAzymes(C)[78],schematic illustration of detecting AChE activity using a NO2?MIL?101?based biosensor(D),absorption spectra of NO2?MIL?101?based bio?sensor in the presence of different AChE concentrations(E)[52]

比色生物傳感存在對顏色觀察相對誤差較大，待測物中存在其它有色物質無法進行檢測等難以解決的缺陷，而光電化學免疫分析是一種基于抗原和抗體識別引起光活性納米材料光電流變化的新型檢測平臺，可以避免比色生物傳感的缺點.盡管具有不同結構、形態(tài)和元素的各種類型的納米材料，已被作為光活性材料引用到光電化學免疫分析中，但大部分光活性納米材料仍難以實現(xiàn)高效的光電轉移，無法實現(xiàn)廣泛的應用［79，80］.具有光活性的SAM已受到光電化學免疫分析領域的廣泛關注［81］.光活性的SAM具有豐富的表面通道和獨特的電子轉移途徑，已成為光電催化領域中的研究熱點.雖然SAM在目前光催化領域具有極其突出的地位，但應用到生物傳感仍處于初期階段［82，83］.

Fig.11 Principle of the PdSA/TiO2?based sensing platformutilizing photocatalytic H2 production(A),the inhibition behavior of chlorpyrifos on the photocatalytic HER performance of both PdSA/TiO2 and PdNPs/TiO2(B),the typically photocatalytic response of PdSA/TiO2 toward different concen?trations(0.03 ng/mL,1 ng/mL,30 ng/mL,200 ng/mL,1 mg/mL) of chlorpyrifos,10 mg/mL(C)[53],ion?exchange reaction between single?atom platinum?anchored Zn0.5Cd0.5S and the released copper ion(Cu2+)from CuO nano label(D),photocurrents of Pt SA?Zn0.5Cd0.5S?based photoelectro?chemical immunoassay toward different PSA standards(0,1,10,100,500,5000,and 10000 pg/mL)(E),calibration curve of Pt SA?Zn0.5Cd0.5S?based photoelectrochemical(PEC) immunoassay(F),specificity of Pt SA?Zn0.5Cd0.5S?based photoelectrochemical immunoassay(G)[54]

納米生物傳感器的使用雖在生物傳感中取得了巨大進步，但仍存在信號輸出緩慢、選擇性低等瓶頸問題.目前，通過采用優(yōu)異特性的SAM來建立生物傳感器，實現(xiàn)了高選擇性和高靈敏的快速信號傳輸.傳統(tǒng)的OPs 毒死蜱檢測方法通常需要繁瑣的樣品預處理和復雜的生物界面，給實時分析帶來困難.Ge 等［53］在以TiO2為基底，使用鈀金屬單原子為活性中心，合成了PdSA/TiO2并作為光催化傳感平臺［圖11（A）］.利用OPs毒死婢可以明顯地抑制PdSA/TiO2的光催化活性，從而實現(xiàn)對OPs毒死蜱高靈敏度和高選擇性的檢測.與PdNPs/TiO2相比，PdSA/TiO2光催化性能更好，在對毒死蜱的檢測中具有更明顯的光催化活性的抑制作用［圖11（B）］.使用Pd SA/TiO2用于光催化傳感能夠實現(xiàn)良好的線性檢測關系，并且檢測限度非常低，能達到500 nmol/L［圖11（C）］，為探索新型OPs生物傳感提供了新方法.Li 等［54］構建了一種離子交換反應誘導的光電化學免疫傳感器，合成了單原子鉑錨定的Zn0.5Cd0.5S納米結構（Pt SA-Zn0.5Cd0.5S），并對前列腺特異性抗原（PSA）進行靈敏定量檢測.實驗結果表明，Pt SA-Zn0.5Cd0.5S光電流顯著提高，進一步提高了免疫分析靈敏度.在檢測目標PSA時，通過CuO納米顆粒為信號標簽引入到免疫分析中，與酸反應放出的大量Cu2+與Pt SA-Zn0.5Cd0.5S進行離子交換反應，由于弱光活性物質CuxS 生成，導致其光電流猝滅，從而達到檢測目的［圖11（D）］.在優(yōu)化條件下，Pt SA-Zn0.5Cd0.5S 能夠在3.0×10?5～3.0 nmol/L 范圍內靈敏檢測，且檢測限度能達到6.6×10?6nmol/L，可作為早期抗原篩查和診斷的一種優(yōu)質選擇［圖11（E）～（G）］.

3 總結與展望

與傳統(tǒng)的金屬納米粒子相比，具有原子分散活性位點、獨特電子/幾何結構和不飽和配位環(huán)境的SAM，已成功實現(xiàn)了生物傳感的信號放大.盡管SAM在生物傳感領域已取得了一些重要進展，但目前SAM傳感仍然處于發(fā)展階段，推進單原子生物傳感發(fā)展仍然面臨著一些需要解決的問題：（1）單原子化學環(huán)境的精確調控依然不足，化學環(huán)境高度統(tǒng)一的SAM對提高生物傳感器的靈敏度至關重要，但目前對單原子精確調控的方法相對較少；（2）單原子產(chǎn)業(yè)應用需要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但是，目前對單原子的合成還僅限于實驗室階段，難以進行大批量的單原子合成，阻礙了其基礎研究和生物傳感應用；（3）目前對SAM放大生物傳感信號的機制研究較少，缺少單原子傳感理論指導；（4）SAM生物傳感檢測的底物類型較少，只能檢測幾種類型的分析物.基于此，在未來單原子生物傳感的研究中，可以從以下幾個方面開展研究：（1）嘗試設計全新的單原子合成策略，實現(xiàn)精確調控單原子的化學環(huán)境；（2）嘗試利用更簡單、可放大的合成方法，進行工業(yè)化單原子的合成；（3）利用先進原位表征技術和同步輻射，探索SAM信號的放大機制，從而設計高靈敏度的SAM生物傳感器；（4）擴大SAM生物傳感檢測的底物范圍，實現(xiàn)對具有應用潛力的目標底物的高靈敏檢測.目前，SAM生物傳感領域仍舊有較大的發(fā)展空間，期望本文能為SAM生物傳感的進一步研究提供一些啟發(fā)、經(jīng)驗和理論指導.