单原子钌仿生酶构建生物传感器实现血清中尿酸和多巴胺的同时检测

注：文末有本文科研思路分析

多巴胺(DA)和尿酸(UA)是普遍存在于人体内重要的电化学活性分子。但是，DA和UA在人体中的作用好坏，取决于其浓度水平。比如，多巴胺浓度水平适度，会传递兴奋和快乐的信息，在人体生理和病理方面发挥着重要作用；而多巴胺浓度水平的异常则可能导致迟发性运动障碍和神经内分泌紊乱，如帕金森病和精神分裂症等。UA是嘌呤代谢的最终产物，普遍存在于人体血清和尿液中。UA的浓度如果过高，不仅会导致痛风和高尿酸血症，还可能抑制胰岛素信号转导，从而导致胰岛素抵抗。因为DA和UA通常在人体内共存。因此，能否同时有效的检测及监测DA和UA浓度水平，对于分析应用和诊断研究具有极其重要的意义，而单原子催化剂，就在其中发挥着非常重要的作用。

单原子催化剂（Single-atom catalysts, SACs）有丰富的活性中心和独特的催化功能，近些年在电催化领域显示了日益广阔的应用前景。比如，在贵金属单原子催化剂中，钌（Ru）基单原子催化剂在氨合成、氧化氰化、CO₂加氢体系、析氧和析氢反应中均有着广泛的应用；其中，单层石墨化碳氮化物（C₃N₄）作为一种典型的二维纳米材料，以其良好的生物相容性、优异的稳定性和适合电化学转化的能带结构，为金属原子的固定化和单原子催化剂的制备提供了理想的基质。此外，金属-氮-碳 (M-N-C) 等氮碳支撑的单原子催化剂表现出拟酶特性，其活性中心密度极高，且具有良好的导电性。

苏州科技大学胡芳馨博士（点击查看介绍）、杨鸿斌教授（点击查看介绍）与湖北民族大学李群芳副教授（点击查看介绍）之前的一项工作，报道了石墨烯负载的单原子钴催化剂用于血清中尿酸分子的超灵敏、超长检测范围传感的作用，将单原子催化剂同时运用到了电化学生物小分子的检测中。该课题组共同设计了一种高密度Ru原子分散在C₃N₄基质上的单原子仿生酶（Ru-Ala-C₃N₄），基于该仿生酶构建的电化学生物传感器实现了DA和UA的同时检测。

该课题组此项工作用透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线（EDX）元素图谱、大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和高分辨率X射线光电子能谱（XPS）研究了单原子Ru催化剂的形貌和元素状态。材料制备示意图和表征结果如图1所示，图中亮绿色的点为C₃N₄上均匀分散的钌原子（图1e），表明成功制备了单原子催化剂；所构建的Ru-Ala-C₃N₄生物传感器对DA和UA具有显著的同时催化氧化作用（图2），分离峰电位为180 mV，对DA和UA具有高的电化学性能：包括宽的检测范围（分别为0.06-490 μM和0.5-2135 μM），低的检出限（分别为20 nM和170 nM）。此外，所提取出的Ru-Ala-C₃N₄仿生酶表现出很高的灵敏度和良好的选择性。该课题组将该传感器采用标准加入法应用于实际生物血清样品中DA和UA的检测中，也得到了令人满意的结果。

图1. (a) 单原子Ru催化剂的制备示意图。Ru-Ala-C₃N₄的(b)透射电子显微镜和(c)扫描电子显微镜图像。(d)Ru-Ala-C₃N₄的原子力显微镜图像和相应的截面轮廓。Ru-Ala-C₃N₄的(e)EDX元素图和(f)HAADF-STEM图。(g)Ru-C₃N₄和Ru-Ala-C₃N₄催化剂中Ru的高分辨率XPS图像。

图2. 不同材料修饰电极同时检测100 μM DA和200 μM UA的(a)CV、 (b)DPV以及(c)电流响应；Ru-Ala-C₃N₄/GCE在0.1 M PBS(pH 7.4)中加入100 μM DA(黑色曲线)、200 μM UA(蓝色曲线)、100 μM DA和200 μM UA的混合物(红色曲线)和不加(灰色曲线)的(d)CV和(e)DPV；(f)不同材料的电化学阻抗图。

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Single-Atom Ruthenium Biomimetic Enzyme for Simultaneous Electrochemical Detection of Dopamine and Uric Acid

Xiaoli Xie, Dong Ping Wang, Chunxian Guo, Yuhang Liu, Qianghai Rao, Fangming Lou, Qiannan Li, Yongqiang Dong, Qunfang Li*, Hong Bin Yang*, and Fang Xin Hu*

Anal. Chem., 2021, 93, 4916–4923, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c05191

导师介绍

胡芳馨

https://www.x-mol.com/university/faculty/84506 

杨鸿斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/257826 

李群芳

https://www.x-mol.com/university/faculty/269691 

科研思路分析

Q：这项研究最初的目的或者说想法是怎么产生的？

A：贵金属催化剂的特点是具有较高的导电性和很好的催化活性，但贵金属元素含量稀少，成本高。我们的研究目标就是将贵金属催化剂设计成单原子水平的催化剂，不仅提高贵金属的利用率，还要使催化剂的活性位点更加明显和暴露。此前，金属-氮-碳等氮碳支撑单原子催化剂的结构因为具有类似酶的活性，因此氮碳负载的单原子钴催化剂被研发作为仿生酶用于尿酸分子的检测。本项目基于此原理设计了单原子钌催化剂（Ru-Ala-C₃N₄），为高稳定性，低成本的非酶电化学生物传感器的制备提供了一条更加理想的途径。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项目研究中最大的挑战是如何通过控制贵金属元素的量，来获得具有最高贵金属利用率的单原子催化剂。此外，我们还需要了解如何利用各种表征手段来证明单原子催化剂的成功合成。在这个克服困难的过程中，团队在高温反应过程及材料表征方面实验过程中的经验积累，起到了至关重要的作用。

Q：该研究成果可能实现哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获益？

A：在使用本研究所得的电化学生物传感器进行真实的人体血清样品检测中，本研究所得的电化学生物传感器表现优异，表现出很高的灵敏度和良好的选择性。因此我们相信，这项研究成果能够为用于人体血液中相关疾病生物分子检测的电子设备的设计与制备提供一条新思路，从而推动生物传感器的运用和相关行业的商业发展。