國際仿生工程學會 - 李長明&楊鴻斌&唐康來Anal. Chem.：單原子仿生酶高靈敏度的電化學檢測H2O2！－鑽石舞台

研究內容

單原子催化主要集中在其分散的高密度催化位點上，而針對目標反應進行合理的設計以實現獨特的催化機理的研究則較少。

西南大學李長明教授、第三軍醫大學西南醫院唐康來教授和蘇州科技大學楊鴻斌教授合成了一種固定在2D 氮摻雜石墨烯上的鐵單原子位點催化劑(Fe-SASC/G)，並將其作為電化學檢測過氧化氫(H2O2)的仿生傳感器，其靈敏度為3214.28 μA Mm-1 cm-2，遠高於分散在1D碳納米線(Fe- SASC/NW)上的(6.5 μA Mm-1 cm-2)，是目前報道的所有鐵基催化劑中靈敏度最高的。該傳感器還成功地用於原位監測A549活細胞釋放的H2O2。相關工作以「Single-Atom Iron Anchored on 2‑D Graphene Carbon to Realize Bridge-Adsorption of O-O as Biomimetic Enzyme for Remarkably Sensitive Electrochemical Detection of H2O2」為題發表在Analytical Chemistry上。

研究要點

要點1. 與碳納米線相比，石墨烯碳具有比表面積大、導電性好等優點。氮摻雜石墨烯負載單原子位點催化劑作為H2O2電化學檢測的理想納米酶，具有高的檢測靈敏度和高選擇性。合成的Fe-SASC/G首次研究了其仿生傳感行為和對活細胞釋放H2O2的實時檢測，展現出極高的檢測性能。

要點2. 通過比較2D Fe-SASC/G與1D Fe-SASC/NW、Fe納米粒子(Fe/C)和Fe酞菁(FeCp)在不同尺寸表面上的電催化行為，進一步探索了可能的單原子催化機理。作用機理研究表明，Fe-SASC/G的二維石墨烯上相鄰的單個Fe原子催化位點之間的距離與H2O2的生物氧的外部長度在統計上很好地匹配，以促進-O-O-橋吸，同時進行2e轉移，而Fe-SASC/NW中固定在遠處的一維納米線上的單個Fe原子僅允許氧原子末端吸附進行1e轉移。

要點3. 結果表明，Fe-SASC/G作為一種先進的電極材料在選擇性和敏感性仿生傳感器和其他電催化應用中具有很大的前景，同時為更深入的單原子催化機制，特別是襯底尺寸對機制的影響提供了科學見解。

研究圖文

圖1. 實時檢測A549細胞釋放H2O2的Fe-SASC/G的合成示意圖。

圖2. (a) Fe-SASC/G修飾電極在3 mM H2O2存在和不存在時的CV，(b)不同修飾電極在3 mM H2O2存在時的CV。(c) Fe-SASC/G修飾電極在3 mM H2O2中，以5~150 mV s-1的掃描速率進行掃描(峰值電流與掃描速率的線性圖來自於Fe-SASC/G的CV)。(d) Fe-SASC/G、Fe/C和FeCp在3 mM H2O2中的阻抗。

圖3. (a) Fe-SASC/G、(b) Fe/C、(C) FeCp在0.1~0.2 V的非法拉第電位下的循環伏安圖。

圖4. (a) 在PBS中，在以−0.2 V vs Ag/AgCl的電位下，連續加入H2O2時的安培響應。(b) Fe-SASC/G傳感器對H2O2的線性圖。(c) Fe-SASC/G仿生傳感器的選擇性能。(d)在(a)含1×106 A549細胞的PBS、(b) PBS、(c)含1×106 A549細胞的PBS和(d) 450 U/mL過氧化氫酶的PBS中加入5 μL PMA (6.25 μg/mL)−0.2 V時Fe-SASC/G傳感器的電流響應。

圖5. (a) H2O2吸附在橋式位置的Fe原子頂部。(b) H2O2吸附在Fe原子頂部的側位。(c) H2O2吸附在末端Fe原子頂部。(d) Fe-SASC/G橋吸附催化H2O2的機理。紅球：Fe; 灰色球: C; 藍色球: N; 白色球: H; (e) Fe-SASC/NW催化H2O2的機理。紅球: Fe;灰色球: C; 藍色球: N; 白色球: H; 粉色球: O。

文獻詳情

Single-Atom Iron Anchored on 2‑D Graphene Carbon to Realize Bridge-Adsorption of O-O as Biomimetic Enzyme for Remarkably Sensitive Electrochemical Detection of H2O2

Juan Li, Chao Wu, Chengsong Yuan, Zhuanzhuan Shi, Kaiyue Zhang, Zhuo Zou, Lulu Xiong, Jie Chen, Yali Jiang, Wei Sun, Kanglai Tang,* Hongbin Yang,* Chang Ming Li*

Anal. Chem.

DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01001

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作者簡介

李長明，理學博士，教授，博士生導師，蘇州科技大學材料科學與工程學院院長、材料科學與器件研究院院長。入選美國醫學與生物工程院院士、歐洲科學院院士、俄羅斯工程院外籍院士等，曾擔任西南大學潔淨能源與先進材料研究院院長、新加坡南洋理工大學生物工程系主任和先進生物納米技術中心主任。發表SCI 頂尖論文700多篇，美國和中國等專利280多項，國際/國內學術大會主題或邀請報告200多次，SCI 總引用36,000多次, H因子91。2014年來連續榮獲湯森路透全球材料精英，科睿唯安全球交叉學科和愛思唯爾全球材料高被引科學家。承擔重大科研項目總經費2.3億多人民幣。科技成果轉化在美國和中國創造了逾百億產值。

唐康來，男，醫學博士，陸軍軍醫大學第一附屬醫院（西南醫院）運動醫學中心主任、陸軍軍醫大學軍事訓練傷中心主任、重慶市運動創傷研究所所長，主任醫師、教授、博士研究生導師；國家「萬人計劃」領軍人才、國家創新人才推進計劃-重點領域創新團隊首席專家、享受國務院政府特殊津貼專家、國家重點研發計劃首席科學家、中央軍委保健委員會會診專家、軍隊科技創新人才工程-領軍人才、重慶市（首批）科技創新領軍人才、重慶市（首批）醫學領軍人才、重慶市首席醫學專家、重慶市學術技術帶頭人、「5.29 全球愛足日」牽頭髮起人之一。2021年4月23日，入選中國工程院2021年院士增選有效人名單。

楊鴻斌，蘇州科技大學教授。楊鴻斌教授本科畢業於蘭州大學材料系，博士畢業於復旦大學物理系。2017年受聘蘇州科技大學材料科學與器件研究院教授，江蘇省特聘教授。主要研究興趣包括無機納米材料合成製備，及其在光電催化，潔淨能源及生物醫療中的應用。包括：1：配位結構可調的單原子催化劑可控及低成本批量製備。2：單原子催化劑在能源存儲轉化，小分子轉化合成及生物醫藥領域中的應用。3：基於單原子催化體系的催化反應機理研究，如二氧化碳還原，產氫，氧還原反應。4：高效低成本電化學制氫催化劑及器件研製。已在Nature Energy, Science Advances, J. Am. Chem. Soc., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Adv. Energy Mater., 等期刊發表論文100餘