单原子催化，用于生物分析也出色

自从中国科学院大连化学物理研究所的张涛院士课题组于2011年首次提出单原子催化的概念 ^[1]后，该类催化剂就受到越来越多的关注。单原子催化剂是一种特殊的负载型金属催化剂，专指载体上的所有金属组分都以单原子分散的形式存在，不存在同原子金属-金属键。该类催化剂的原子利用率高，反应活性强。然而，该类催化剂也存在一定的缺点，比如为了避免单原子的聚集，单原子金属的负载量往往很低，并且催化剂在催化过程中常常涉及到价态的变化，使得催化稳定性很难保持。另外，单原子催化剂受载体上原子的影响也很大。单从名称上看，也能知道单原子催化剂主要的应用领域是催化，近年来在诸如电解水、二氧化碳还原、固氮等等光电催化领域大放异彩。笔者今天要介绍的，却是单原子催化概念在分析领域的应用。

多巴胺（DA）是大脑中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质，它可以调控中枢神经系统的多个生理过程。医学上通过检测DA的含量可以用来诊断帕金森氏病、阿尔茨海默病、精神分裂症、Tourette综合征、注意力缺陷多动综合征以及垂体肿瘤等疾病。通常情况下，可以用多种方法检测DA（如光谱法、质谱法、液相色谱法、电化学法等），其中电化学传感器因灵敏度高、成本低、响应快以及易于实现高容量检测等诸多优点被广泛用于检测DA。尽管先前的报道已经实现了DA低浓度（pM）的检测，但必须要使用贵金属（如Au）或生物捕获分子（如核酸、适体、酶），这不仅增加了制造的复杂性，还增加了检测成本并限制了可扩展性。那么，能否开发出一种超灵敏的电化学传感器来实现DA的体外快速检测？

Aida Ebrahimi教授（左）和Mauricio Terrones教授（右）。图片来源：PSU

近期，美国宾夕法尼亚州立大学的Aida Ebrahimi教授和Mauricio Terrones教授等研究者把目光投向了二维材料MoS₂和Mn，选择前者是因为二维材料已成为一种用于构建包括DA传感器在内的柔性和超灵敏传感器的新兴材料平台，而选择后者是因为有研究表明Mn可通过Mn(II) / Mn(III)的氧化还原循环来催化DA氧化，他们认为将Mn掺入MoS₂中有望提高DA检测的选择性。由此，他们设计了一种基于Mn单原子掺杂MoS₂的超灵敏DA电化学传感器。具体而言，利用电沉积法在热解石墨片（PGS）上沉积MoS₂，然后对MoS₂热掺杂Mn单原子，由此制得得Mn-MoS₂电极可用于电化学传感器直接选择性地检测DA。在磷酸盐缓冲溶液中的检出限可以低至50 pM，检测范围为50 pM ~5 µM；在10%血清和人工汗液中的检出限分别为5 nM和50 nM。相关成果发表在Science Advances 期刊上。

首先，作者通过两步法制备并表征了掺杂Mn金属原子的MoS₂（图1）。具体而言，将无定形MoS₂电沉积在热解石墨片上制备MoS₂ / PGS（step 1，图1A），随后利用固体气相沉积法在其表面引入Mn金属原子（step 2，图1A），与此同时无定形MoS₂也结晶。STEM和X-射线光电子能谱（XPS）显示~68%的Mn原子以替代MoS₂中Mo原子的形式存在（Mn_Mo），其它的则吸附在Mo原子顶部上（Mn_topMo）。基于原子序数衬度（Z-contrast）机理，如果Mn原子替代掺杂MoS₂，那么Mn原子与Mo原子相比衬度较低（图1C）；相反，如果Mn原子作为吸附原子连接在Mo原子的顶部，则其衬度比Mo原子更高（图1D）。

图1. Mn-MoS₂电极的制备与表征。图片来源：Sci. Adv.

如图2A所示，为了比较PGS、MoS₂ / PGS和Mn-MoS₂ / PGS的电荷转移特性，作者使用电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）对其进行测试。结果显示该传感器检测过程与Randles等效电路十分符合，该电路由溶液电阻（R_sol）、电荷转移电阻（R_ct）、双层恒相位元件（CPE; Q_dl）和Warburg阻抗元件（Z_W）组成（图2B）。其中MoS₂ / PGS的R_ct [(7.10 ± 0.4) × 10⁴ ohms]比Mn-MoS₂ / PGS的R_ct [(4.49 ± 0.5) × 10⁴ ohms]高，这表明Mn原子的存在有利于DA的吸附。随后，作者用差分脉冲伏安法（DPV）测量了电化学传感器的检测性能（图2C）。在磷酸盐缓冲溶液（pH = 7.2）中，检出范围为50 pM~50 µM，定量关系为log I_n = 1.194 + 0.405 logρ_DA；随着DA浓度的增加，Mn-MoS₂表面的DA趋于饱和，电流信号增加缓慢，此时定量关系变为log I_n= 0.470 + 0.085 logρ_DA。值得一提的是，基于Mn-MoS₂ / PGS的传感器检出限为~50 pM，这比基于MoS₂ / PGS的传感器的检出限（500 nM）低四个数量级。

图2. 电化学表征检测DA。图片来源：Sci. Adv.

在图2C所示的DPV表征结果中，当DA浓度由50 nM增加到5 µM时，峰电位逐渐向正电位偏移，这通常是因为扩散系数减小，因此需要更正的电位才能克服动力学障碍。只不过在50 pM~5 nM内，峰电位（~10 mV）基本上没有变化，而浓度从5 nM增加到5 mM时，峰电位变化了300 mV，这可能是由于DA氧化生成的副产物导致电极表面被污染。另外，DFT计算结果显示这可能是因为在DA浓度（50 nM~5 mM）较高时，Mn_topMo与DA的化学吸附作用占主导地位，较强的化学吸附作用力使得峰电位显著偏移；而浓度较低时（< 50 nM），Mn_Mo与DA的物理吸附作用占主导地位，相对较弱（图4）。

除了检测性能之外，作者还研究了基于Mn-MoS₂/ PGS的电化学传感器的选择性和稳定性（图2E、2F）。为此，他们选择氧化还原性质与DA类似的抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）作为干扰物。即使它们的浓度是DA的100倍以上，仍然可以实现DA的检测，进一步证明了该传感器良好的选择性。作者认为，对于DA的选择性要归因于掺杂Mn原子的催化行为，其中氧化还原对Mn(II) / Mn(III)是DA氧化的催化位点。对于传感器的稳定性（图2F），从表征结果可得在4天之后传感器性能就开始逐渐下降，但是12天后，峰电流仅下降10％，显示出良好的环境稳定性。

图3. 传感器的实际应用与小型化。图片来源：Sci. Adv.

为了进一步展示Mn-MoS₂ / PGS在医学上定量分析的应用（对即时诊断至关重要），作者探究了Mn-MoS₂ / PGS在人工汗液和10%血清中检测DA的传感性能（图3A、3B）。结果显示Mn-MoS₂ / PGS在人工汗液中的检出限为50 nM，在10%血清中的检出限为5 nM。此外，他们还在柔性聚酰亚胺基底上制造了一个全集成传感器（图3C），其中Mn-MoS₂ / PGS用作工作电极，PGS用作对电极，银糊剂用作伪RE。这不仅实现了传感器的小型化，而且在实际应用中具有巨大的价值。

为了更好地理解Mn-MoS₂ / PGS灵敏度显著提高的原因，作者进行了DFT计算。如图4A所示，Mn_topMo、Mn_si和Mn_Mo这三种缺陷均可能存在，其中Mn_Mo的形成能明显低于Mn_topMo和2Mn_si的形成能，这表明Mn_Mo是最丰富的缺陷。此外，由于Mn与DA中的芳环形成Mn-C键，使得Mn_topMo中暴露的Mn与DA分子能够牢固地结合。也就是说，Mn_topMo通过化学吸附与DA反应；而Mn_Mo缺陷仅通过物理吸附与DA反应。当DA浓度较高时，Mn_topMo与DA的化学吸附作用占主导地位；而浓度较低时，Mn_Mo与DA的物理吸附作用占主导地位。

图4. 理论计算。图片来源：Sci. Adv.

总结

在本工作中，作者利用Mn单原子掺杂的MoS₂制备了一种可以实现超灵敏DA检测的电化学传感器，最低检出限可以低至50 pM。单原子催化在分析领域的应用，不仅扩大了该类材料的应用范围，也为制备新型传感器提供了新的思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）:

Single-atom doping of MoS₂ with manganese enables ultrasensitive detection of dopamine: Experimental and computational approach

Yu Lei, Derrick Butler, Michael C. Lucking, Fu Zhang, Tunan Xia, Kazunori Fujisawa, Tomotaroh Granzier-Nakajima, Rodolfo Cruz-Silva, Morinobu Endo, Humberto Terrones, Mauricio Terrones, Aida Ebrahimi

Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abc4250

导师介绍

Mauricio Terrones

https://www.x-mol.com/university/faculty/1087

参考资料：

[1] Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt₁/FeO_x. Nat. Chem., 2011, 3, 634–641

https://www.nature.com/articles/nchem.1095

（本文由Sunshine供稿）