郭少军/唐点平Chem Catal：调控单原子位点金属中心尿酸电氧化反应限速步骤构建高性能便携式传感器

尿酸电氧化特征的电催化系统在电分析化学领域引起了广泛关注，然而由于缺乏有效的电催化剂，导致检测平台灵敏度低，阻碍其进一步发展。目前新兴的单原子催化剂，尤其是金属-氮-碳（M-N-C）催化剂具有较大的应用潜力。然而，目前对单原子中心的结构-活性关系的理解尚不清楚，影响其在高灵敏度电分析中的指导设计和应用。

为了深入了解单原子金属中心对尿酸电催化性能的影响，福州大学唐点平教授（点击查看介绍）和北京大学郭少军教授（点击查看介绍）团队报道了在M-N-C氮掺杂碳上制备系列金属单原子催化剂 （M₁-CN; M₁= Mo、Fe、Ru、Mn、Co、Cu、Pt、Ni）来调控尿酸电催化反应。差分脉冲伏安法实验表明，Mo₁-CN对尿酸电氧化表现出最高的电催化活性。密度泛函理论计算揭示在所有的M₁-CN中，Mo₁-CN表现出最低的限速步骤能垒和最高的d带中心（-0.09 eV），这在热力学上非常有利于尿酸电氧化反应过程。作为概念验证应用，基于Mo₁-CN在尿酸电催化性能方面的优势，构建了一种CRISPR-Cas12a驱动的便携式无线电化学生物传感器用于高通量检测人乳头瘤病毒16型（HPV-16）。相关工作发表于Cell Press旗舰期刊Chem Catalysis 上。

首先作者通过主客体策略合成了正十二面体的Mo₁-CN单原子催化剂（图1A-B）。球差-高角度环形暗场扫描透射电镜图观察到在Mo₁-CN表面上存在许多亮点（图1C），并且插图为对应的3D高度显示亮点的像强度远高于基底背景。在同步辐射图谱中，Mo单原子为正价态并在1.31 Å的位置有一个Mo-N配位的散射峰，显著区别于Mo箔位于2.45 Å的Mo-Mo配位散射峰（图1D-E）。同步辐射数据拟合匹配结果显示Mo-N键的平均距离和配位数分别为1.79 Å和3.88（1F-G），说明样品中主要为Mo₁-N₄结构。Mo₁-CN的小波变换等值线图位于6.4 Å^-1的强度最大值对应于Mo-N配位，与而Mo箔的Mo-Mo在8.3 Å^-1左右有着巨大的差异（1H-I），这些结果都证实了原子级Mo分散的形成。

图1. Mo₁-CN单原子催化剂的表征

考虑到主客体法在合成单原子催化剂上的通用性，作者通过改变金属前驱体的类型，合成了一系列单原子催化剂包括Co₁-CN、Fe₁-CN、Ru₁-CN、Pt₁-CN、Ni₁-CN、Mn₁-CN和Cu₁-CN。将以上系列M₁-CN和CN作为电催化剂，通过差分脉冲伏安法来评估它们对尿酸的电催化性能。图2结果可以发现，单原子的掺入在一定程度可以提高CN对尿酸的响应。值得说明的是，Mo₁-CN具有最优异的尿酸响应，检测限为0.033 μmol/L，比CN（0.92 μmol/L）低27.9倍。

图2. 不同金属中心的单原子催化剂对尿酸的催化性能

为了更深入了解单原子金属中心上尿酸氧化的催化机理，作者对不同的 M₁-CN（M₁-N₄结构作为模型）进行了密度泛函理论计算。图3是不同M₁-N₄反应中心的中间体（*C₅O₃N₄H₄→*C₅O₃N₄H₃→*C₅O₃N₄H₂）的吉布斯自由能。从优化结构可以看出尿酸更倾向于通过五元环的氧原子接近单原子金属位点中心，而后经历双电子和双质子转移过程。将两种路径的RDS汇总后，可以发现Mo₁-N₄的RSD最低。Mo₁-CN上路径1和路径2的RDS处于六元环的脱氢过程中，ΔG_max极低，分别为0.05 eV和0.01 eV。因此，Mo₁-CN上的尿酸催化过程更倾向于路径2（即六元环脱氢，然后五元环脱氢）。Mo₁-CN上尿酸催化的容易进行能够获得对尿酸更好的电催化效果，这一点与上述的差分脉冲伏安实验结果相一致。

图3. 理论计算M₁-CN上尿酸电氧化途径的吉布斯自由能

在上述的讨论中，通过电化学测试和理论计算已经验证了Mo₁-CN对尿酸具有优异的电催化性能。因此，作者进一步将Mo₁-CN作为电极材料滴加在丝网印刷碳电极上构建便携式电化学传感器用于检测HPV-16。如图4A示意图所示，首先是通过化学交联得到磁珠-单链DNA-黄嘌呤氧化酶（MB-ssDNA-XO）信号标签。Cas12a-CrRNA二元复合物与目标物HPV-16结合后将激活Cas12a反式切割MB-ssDNA-XO的能力。随后通过磁分离收集被切割下来的XO，并加入底物黄嘌呤产生尿酸。将产物滴加在Mo₁-CN修饰的丝网印刷电极上就能产生差分脉冲伏安电流信号。集成在电路中的蓝牙芯片可以将电流信号传输到智能手机读取（图4B-C）。由于目标物的量能够影响Cas12a的切割效率进而影响后续酶促反应产生尿酸的量，因此可以根据差分脉冲伏安电流强度对HPV-16进行定量检测（图4D-E）。

图4. 基于CRISPR-Cas12a靶触发酶促反应构建电化学传感器

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）：

Tuning the rate-determining step of uric acid electrooxidation over single-atom-site metal centers for high-performing sensing

Ruijin Zeng, Linghui Lin, Hexiang Gong, Yuxuan Li, Jianhui Xu, Lingting Huang, Weijun Wang, Sen Lin, Dianping Tang, Shaojun Guo

Chem Catal., 2023, DOI: 10.1016/j.checat.2023.100514

导师介绍

唐点平

https://www.x-mol.com/university/faculty/9535 

郭少军

https://www.x-mol.com/university/faculty/18935 

（本稿件来自Cell Press）