近日，上海大学理学院赵宏滨教授和叶代新副教授团队在Small上发表了一篇题目为《Boosting Enzyme-Like Activity Through Controlled Coordination of Metal Single-Atoms in Rhombic Cavity of Graphyne》的文章，对几种不同的金属单原子纳米酶活性提升的机理进行了研究。
纳米酶的合理设计已成为当前的整体研究趋势。金属单原子的配位数是影响活性和特异性的一个重要因素，其精确控制有利于调控纳米酶的性能。同时，金属与载流子的相互作用可以有效地诱导金属与相关界面之间的电荷转移，从而优化活性位点的活性。本工作提出将氮引入石墨炔（2N-GY）中苯的对位，作为将金属单原子锚定在吡嗪氮上的载体。然后这些原子被配位到菱形腔的中心，确保配位数的精确控制。受天然酶的启发，利用2N-GY构建了一系列过渡金属单原子纳米酶（SAN）。理论计算和实验都表明，铁、锰和钼的金属单原子的掺入有效地增强了类酶活性，其中Mo/GY表现出最高的类过氧化物酶活性。
Figure 1. The scheme of synthesis and structure of Fe/GY, Mn/GY, and Mo/GY is inspired by natural enzymes.
Figure 2. The PDOS and pCOHP of oxygen adsorption state for A) Mo/GY, B) Fe/GY, and C) Mn/GY. D) The free-energy diagrams for the POD-like mechanism on different catalysts. E) The charge density difference (CDD) plots of oxygen adsorption state for Mo/GY, Fe/GY, and Mn/GY. Yellow and blue regions correspond to charge gain and charge loss, respectively. (isosurface = 0.003 e/Å3). F) The catalytic mechanism along the POD-like reaction path on the Mo/GY structure.
基于M/GY（M=Fe、Mn、Mo）的类过氧化物酶活性和生物硫醇中巯基占据金属活性位点的不同能力，构建了用于鉴定六种生物硫醇的高通量传感阵列。将生物硫醇和SAN的指纹特征响应与机器学习算法相结合后，实现了对六种生物硫醇的有效区分。
Figure 3. A) Schematic diagram of the loading of single-atom on 2N-GY and the influence of thiol on the reaction system. Canonical score plots for colorimetric response patterns obtained against B) 1 μM, C) 2 μM, D) 5 μM, E) 10 μM, F) 20 μM, G) 50 μM, H) 100 μM thiol. I) HCA plot for the identification of six thiols at 20 μM.
本研究不仅介绍了一种合成具有特定二元配位的SAN的新思路，还为硫醇检测提供了一种方便的方法，从而扩展了具有传感阵列的SAN的实用性。
相关论文发表在Small上。文章的第一作者是上海大学的硕士研究生付瑞雪，博士研究生郭建，硕士研究生靳欢，通讯作者为上海大学叶代新副教授和赵宏滨教授。