近日，上海大学理学院赵宏滨教授课题组在Analytical Chemistry期刊上发表了一篇题目为《Perspective for Single Atom Nanozymes Based Sensors: Advanced Materials, Sensing Mechanism, Selectivity Regulation, and Applications.》的文章。

研究背景

随着纳米技术的发展，传感器件的活性中心可以精确到原子水平。单原子纳米酶具有独特的几何/电子结构、不饱和配位环境以及各种载体上掺杂高度分散的金属原子。因此，它们在催化活性、稳定性和选择性方面表现出优异的性能，使其有可能应用于传感器。与天然酶相比，单原子纳米酶具有许多优势，这为新的传感方法和传感器件的开发提供了许多机遇。

研究简介

上海大学叶代新老师和赵宏滨教授课题组近日总结了基于单原子纳米酶构建的传感器的发展及应用。对单原子纳米酶的功能机制及其在传感器构建中的优异表现进行了综述。

本文要点

(1)     纳米酶是一种模拟酶催化活性的纳米材料，由于其特殊的性能，在生物传感器、生物医学、气候环境等领域引起了广泛的关注。然而，由于纳米酶结构和组成的复杂性，人们开始探索结构简单的以单个原子为活性位点的纳米酶，并称其为单原子纳米酶。单原子纳米酶配位简单的活性位点不仅能显著提高纳米酶的活性，而且由于其配位环境简单、可调节的特点，还能有效提高纳米酶的选择性，已成为纳米酶领域中最亮的恒星。

(2)     基于单原子纳米酶构建的的传感器也因其明确的结构特点而受到广泛的研究，其明晰的结构有助于研究催化机理，并为提高催化活性提供改良方向。

(3)     作者对基于单原子纳米酶传感器的进展和挑战进行了全面的介绍。首先对单原子纳米酶的催化机理进行了剖析，并探讨了单原子纳米酶催化选择性的来源。接着从传感技术和传感器的构建两个方面深入分析了单原子纳米酶的传感应用。最后，提出了基于单原子纳米酶的传感器当前研究的主要挑战、潜在的研究难题和进一步研究方向的展望。

  挑战与展望

(1)     单原子纳米酶的有效设计

1、提升单原子纳米酶催化特异性。当前纳米酶高特异性检测的实现主要依赖于生物特征分子，这种策略主要取决于生物耦合的程度。为改善这一局限性，可采用辅酶因子配位、杂原子掺杂、配位数调节等手段解决。

2、提高单原子纳米酶活性位点的均一分散性和数量。单原子纳米酶活性进一步提升的屏障主要是其原子负载率低和原子分散不均，开发高缺陷载体以及新的单原子纳米酶合成策略是有效改善单原子负载的有效途径。

3、提出清晰的催化机理。由于d带中心、价带等理论的发展，大家对单原子纳米酶的催化过程有了初步的了解，但仍需要更精确的模型帮助我们对催化过程更深入的了解以及高活性高特异性单原子纳米酶的设计。

(2)     基于单原子纳米酶的传感器的创新构建

1、扩大基于单原子纳米酶传感器的检测对象。为使生物传感器有更多的可检测对象，常将传感器与先进的生物技术和测试手段相结合，开发可联动使用的生物传感器，以实现多种样品、复杂样品的检测。

2、扩展基于单原子纳米酶传感器的使用场景。为扩展生物传感器在实际生活中的应用，开发新型传感设备，特别是廉价、小巧、便携、易操作的传感设备，将成为另一个研究热点。

   相关论文发表在Analytical Chemistry上。文章的第一作者是上海大学靳欢硕士研究生，通讯作者为上海大学叶代新副研究员和赵宏滨教授。

 文献信息

   Huan Jin, Daixin Ye,* Lihua Shen, Ruixue Fu, Ya Tang, Joey Chung-Yen Jung, Hongbin Zhao,* and Jiujun Zhang. Perspective for Single Atom Nanozymes Based Sensors: Advanced Materials, Sensing Mechanism, Selectivity Regulation, and Applications. Analytical Chemistry. 2020

 文献链接

   DOI: 10.1021/acs.analchem.1c04496

   https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04496