生物催化剂 武汉理工大学寇宗魁教授团队提出单分子检测技术新思路

生物催化剂 武汉理工大学寇宗魁教授团队提出单分子检测技术新思路

概括

武汉理工大学寇宗球教授研究团队对单分子检测技术核心催化剂的设计提出了新思路，通过调控单原子金属-氮-碳催化剂的配位环境，实现类酶传感检测，有望在多种传感模式下实现更高精度、更灵敏的单分子检测。

介绍

单分子检测技术可以在纳米空间内捕获单个目标分子，实现超灵敏检测，对疾病监测、食品安全、环境保护等领域具有重要意义。但该技术目前受到核心催化剂选择性、活性不足等因素的制约，无法实现真正​​意义上的单分子监测。近日，武汉理工大学寇宗奎教授研究团队对该技术核心催化剂的设计提出了新思路。得益于单原子金属-氮-碳（Metal--，MNC）催化剂超高的活性和选择性，且其碳基结构与大多数生物酶相似，通过调控MNC催化剂的配位环境即可实现类酶传感检测，有望助力实现多种传感模式下更高精度、更灵敏的单分子检测（图1）。

图1.单原子MNC催化剂高选择性检测示意图

单分子检测是现代医学发展的“眼睛”，对疾病的早期筛查、疾病分子的动态变化具有重要意义。然而由于传统化学检测手段的敏感性，医务工作者无法获得准确的疾病信息，阻碍了医学诊断等工作的进展。这其中最核心的便是信号转换的催化剂。团队从历史的角度总结了单分子检测催化剂和单原子催化剂的发展历程（图2），发现两个领域在时间上处于一个交叉点。一方面，单分子检测所用的类酶催化剂通过减小催化剂尺寸，不断提升对底物的检测选择性和活性，从早期的金属颗粒发展到单个金属原子的纳米酶；另一方面，单原子催化剂具有最高的理论表面活性，表现出超高的催化活性和选择性。同时，随着先进表征仪器和设计理念的发展，可以有依据地进行原子级设计。 单原子催化剂，特别是具有类酶结构的MNC催化剂有望成为解决单分子检测难题的方案。

图2单原子催化剂与单分子检测的发展历程

本综述首先介绍了单原子催化剂相较于其他传统传感催化剂的内在优势，包括（1）高活性、经济性。由于纳米材料的量子尺寸效应和表面效应，单原子MNC催化剂具有超高的表面活性，同时由于单个金属原子的结构，具有100%的原子利用率，可以节省大量金属；（2）可设计性。单原子MNC催化剂具有可控的配位环境，可以通过一些P、S等杂原子调控金属原子的配位层，得到不同的MNC结构，也可以引入不同的金属构建协同效应，提高MNC的内在活性，针对不同的检测底物还可以设计不同的MNC催化剂；（3）定义清晰。单原子MNC催化剂的活性中心定义清晰，有助于理解催化材料与目标物质的吸附、转化和解吸动力学，揭示各类分子的传感机理，更好地帮助设计特定的材料实现单分子检测。 这些独特的优势使得单原子MNC催化剂在理论上成为解决单分子检测最有希望的材料。

随后文章重点介绍了用于电化学、光化学和光电化学传感器的MNC材料的设计策略与方法（图3），重点在于如何针对不同的信息转换形式可控地设计MNC催化剂，以实现对目标分子的精准检测。文章通过回顾2019年至2023年的相关工作，将MNC催化剂与非碳载体上的单原子催化剂（如Pt@WO3、Co@MoS2等）进行了比较，发现碳载体具有多孔性、生物相容性等优势，可以实现及时监测和活体检测，同时更宽的可调空间使得MNC催化剂能够实现更高的灵敏度和最小值。此外，单原子还具有高效的能量催化活性，可以设计出自供电传感系统等各种智能传感装置。通过密度泛函理论计算和机器学习，可以设计基于单原子MNC催化剂的传感材料库，并针对不同的底物进行定向材料设计与合成。

图 3. 单原子 MNC 催化剂在电化学、光化学和光电化学中的应用示例

最后，文章总结了单原子MNC对在单分子检测技术中的特点与不足，包括：（1）虽然已报道的传感阈值已经很高，但仍需进一步向单分子检测迈进；（2）针对新冠病毒等复杂生物分子的设计策略还很缺乏。同时提出了一些有待解决的研究方向，如（1）在传感机理方面，单原子MNC催化剂常采用密度泛函理论等计算模拟方法来模拟，如何直接表征单分子检测动力学过程或设计原位测试方法应是首先需要研究解决的方向；（2）在表征方法方面，虽然原子级表征方法已经很成熟，采用同步辐射、球差电子显微镜等先进方法，但这些方法常将配位环境表征为平均配位价态，需要发展能够监测各个原子配位环境的表征方法； (3) 在实际应用方面，如何将实验室研究成果带入临床检测，应用于实际生物环境中的传感检测，不仅需要大规模工艺可控制备单原子MNC催化剂，还需要设计廉价的便携式检测装置，如开发试纸并集成到手机应用程序中，以及将MNC从微电极开发为完整的器件。本综述为单分子检测技术提供了新思路，为传感应用的MNC材料的设计和开发提供了指导，无疑对这一年轻领域具有重要意义。

《信息材料（英文版）》（）创刊于2019年，是教育部主管、电子科技大学和Wiley出版集团联合主办的开放获取英文学术期刊（月刊）。期刊关注信息技术与材料、物理、能源、人工智能等新兴交叉学科领域的前沿研究，旨在打造电子信息领域世界一流期刊，促进电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年影响因子22.7，JCI指数2.37，5年影响因子22.7，2022年影响因子35.6，SNIP指数3.344。 在材料科学各领域排名名列前茅，其中科学院材料科学一区和综合材料科学一区排名第一。该期刊已被DOAJ，SCIE，，CSCD，CAS等数据库收录。