Single-Atom Cobalt-Based Electrochemical Biomimetic Uric Acid Sensor with Wide Linear Range and Ultralow Detection Limit
Fang Xin Hu, Tao Hu, Shihong Chen, Dongping Wang, Qianghai Rao, Yuhang Liu, Fangyin Dai, Chunxian Guo*, Hong Bin Yang*, Chang Ming Li*
Nano‑Micro Lett.(2021)13:7
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00536-9
1. 首次探索了单原子钴(A-Co-NG)催化剂用于电化学检测尿酸(UA)，并实现了血清标本中UA的检测。
2. 具有高活性、超高金属利用率的A-Co-NG表现出了仿生酶特性，其制备的传感器表现出高灵敏度、高选择性、超宽检测范围以及超低检测限的UA检测性能。
3. 通过实验结果和理论计算相结合，对UA分子在A-Co-NG单原子催化剂上氧化反应过程进行了深入研究。
人体内尿酸(UA)含量的检测对于关节炎、先兆子痫、肾脏疾病、心血管疾病等疾病的诊断非常重要。然而要实现UA超长范围及超低极限的检测，仍具有非常大的挑战。单原子钴纳米酶表现出均匀的活性位点、金属原子利用率高且催化动力学快等优点，可以弥补天然酶和纳米酶之间的差距。因此单原子钴传感器不仅能实现血清中UA的高灵敏高选择性检测，而且有助于深入理解催化机理。苏州科技大学李长明教授和胡芳馨博士等针对血清中尿酸含量的检测难以实现超宽线性范围及超低检测极限，且检测机理不明确的问题，首次提出了一种单原子钴纳米酶(A-Co-NG)制备的电化学尿酸传感器。制备的A-Co-NG纳米酶中Co原子平均与3.4个N原子配位，Co原子价态为+2价。该A-Co-NG传感器的检测范围宽(0.4~41950 μM)，检测极限为33.3±0.024 nm，明显优于以往报道的基于各种纳米材料的传感器。此外，A-Co-NG传感器亦可用于血清实际样品中尿酸含量的检测。本工作为实现检测范围宽、检测下限低的尿酸传感器提供了一种卓越的材料，满足了实际诊断的需要，为指导其他生物传感过程的探索提供了新的思路。
钴单原子纳米酶(A-Co-NG)制备过程如图1a所示，首先将钴离子(醋酸钴)吸附在氧化石墨烯(GO)上，并与三聚氰胺混合，然后冷冻干燥得到蓬松的混合物，最后在氩气保护气氛中热解制得A-Co-NG催化剂。所制备的A-Co-NG纳米材料具有与石墨烯相似的形貌特征，表现为表面光滑的片状结构(图1b, c)。EDS能谱分析表明Co原子和N原子均匀分布在基底碳材料上(图1d)。通过球差电镜对样品进行了表征，HAADF-STEM图(图1e)显示出孤立的高密度亮点分布在A-Co-NG的整个碳骨架上，说明Co原子在碳基底上以单原子形式存在, Co原子的大小约为0.17 nm，相邻亮点之间的统计距离较大(~0.46 nm)，如图1f所示。ICP测得A-Co-NG中Co的含量为1.03 wt% (图1e插图)。XRD数据如图1g所示，仅观察到处于26.2°和44.0°的(200)和(100/110)碳衍射峰，没有Co颗粒或Co金属的特征峰，表明Co原子在石墨烯载体上为原子级均匀分散。
图1. (a) A-Co-NG纳米酶合成过程示意图。A-Co-NG的结构表征：(b) SEM图像；(c) 亮场TEM图像；(d) EDX映射图像；(e) HAADF-STEM图像，插图为样品中的元素含量；(f) 相邻Co原子间的距离；(g) A-Co-NG和NG的XRD衍射图谱。
采用XPS研究了A-Co-NG的化学组成和元素状态，如图2a-b所示。Co 2p₃/₂在A-Co-NG中的结合能为789.6 eV，与酞菁钴(CoPc)中的Co(II)较为接近，可推断出单原子材料中Co的价态为~+2价。通过对比CoPc(II)和A-Co-NG的N 1s高分辨XPS谱(图2a)，在A-Co-NG中吡啶N的成分远高于吡咯N，表明与Co配位的N可能主要为吡啶N (∼398.05 eV)。在此基础上，采用X射线吸收光谱(XAS)对A-Co-NG中Co原子的价态和配位结构进行了深入研究(图2c-d)。图2c显示了A-Co-NG和参考样品的K层X射线吸收近边光谱(XANES)。A-Co-NG的Co吸收边能量为7722.3 eV，与CoPc的吸收边能量完全相同，证实A-Co-NG中Co原子的氧化态为+2。如图2d所示，用扩展X射线吸收精细结构傅里叶变换(FT-EXAFs)进一步分析了A-Co-NG中Co原子的配位环境，结果表明只有一个强壳层(1.46 Å)，键长比CoPc(II)样品中的Co−N(1.52 Å)键短0.06 Å。在A-Co-NG中没有检测到金属Co中的Co−Co键(~2.16 Å)和CoPc(II)的Co-C键(~2.60 Å)的特征峰，证实了Co原子在石墨烯上是分散的，并通过N原子配位。通过对k3-weighted EXAFS的小波变换(WT)分析，区分了A-Co-NG的1.46 Å处形成峰的散射原子的种类。如图4.2e所示，A-Co-NG和CoPc(II)在相同的k值(6.5 Å⁻¹)处强度最大，表明A-Co-NG的第一壳层峰来自与CoPc(II)相同的背散射原子，即N原子。此外，两个样品的Co-N键长的差异表明A-Co-NG中与Co原子配位的N种类与CoPc(II)中的吡咯N不同，这与N1s高分辨XPS谱的结论一致。用Co-N路径拟合了A-Co-NG和CoPC(II)的FT-EXAFS(图4.2f，图S6和表S1)，配位数约为3.4。根据结构表征和化学态研究，A-Co-NG的Co原子以+2价态原子级分散在石墨烯上，平均与3.4个N原子配位。
图2. A-Co-NG和CoPc的(a) N 1S和(b) Co 2p的XPS谱；(c) A-Co-NG的K边XANES谱；(d) 傅立叶变换(相位未校正)的Co K边EXAFS谱；(e) A-Co-NG和CoPC的k3-weighted EXAFS谱的小波变换；(f) A-Co-NG的EXAFS谱的傅里叶变换拟合。
采用电化学方法测定了A-Co-NG对UA催化反应的仿生酶活性。A-Co-NG/GCE的循环伏安(CV)测试性能如图3a黑色曲线所示，基于Co(II)/Co(III)在测试底液0.1 M NaOH溶液(pH=13)中发生准可逆的氧化还原反应，该单原子催化剂产生了一对良好的氧化还原峰。当在测试底液中加入400 μM UA后，氧化电流显著增加，归因于UA发生的氧化反应(图3a红色曲线)。此外，我们准备了一系列对比催化剂，例如P-Co-NG，NG，Co₃O₄/GO复合材料和Co₃O₄来与A-Co-NG纳米酶进行比较。如图3b所示，采用计时电流响应方法系统地研究了各种催化剂的仿生酶活性。A-Co-NG纳米酶表现出最高的催化氧化活性，灵敏度为301.6 μA mM⁻¹ cm⁻²。此外,实验表明催化剂的催化活性顺序为A-Co-NG>P-Co-NG>Co₃O₄/GO>Co₃O₄，表明了单原子纳米酶固有的优势(图3c)。通过研究扫速的平方根与催化峰电流之间的关系，进一步探讨了A-Co-NG材料的电化学活性，结果表明催化剂反应过程中电子转移个数为2(图3d)。
图3. (a) A-Co-NG纳米酶的CV响应曲线；(b) 不同催化剂的计时电流响应；(c) 不同催化剂的响应灵敏度；(d) 扫速的平方根与催化峰电流之间的关系。
在生理条件下，众多生物小分子如抗坏血酸(AA)，多巴胺(DA)，一氧化氮(NO)等的存在会干扰UA检测。本工作使用安培法在0.3 V (相对于SCE)的条件下，通过分析与UA共存的各种潜在干扰物质，例如AA，DA，葡萄糖(Glu)，NO，K⁺，Na⁺，SO₄²⁻和Cl⁻等研究了A-Co-NG和对比催化剂对UA氧化的选择性。结果表明，在混合或单一AA，DA，Glu，NO，K⁺，Na⁺，SO₄²⁻和Cl⁻的存在下，A-Co-NG表现出最佳的选择性和抗干扰能力(图4a)。采用计时电流法测试了A-Co-NG对UA检测的性能如图4b-c所示，结果表明制备的传感器表现出超宽的线性范围(0.4~41950 μM)，超低的检出限(33.3 nM)，响应时间为2.8秒(图4d)。此外，A-Co-NG纳米酶可在储存180天后保持90.5％以上的活性，表现出良好的稳定性(图4e)，表明其保质期很长。通过在相同的实验条件下用五组制备的传感器测定400 µM UA，计算出测试的RSD为1.38％，表明该传感器具有令人满意的重现性和可重复性。为了探索单原子纳米酶传感器对UA的潜在应用，采用标准加入法对三组血清样品进行检测。如图4f所示，回收率在97.7和105.5％之间，表明其具有在实际生物样品中分析UA的潜在应用。
图4. (a) UA检测A-Co-NG纳米酶的选择性；(b) A-Co-NG的对UA的计时电流响应曲线；(c) A-Co-NG对UA的线性；(d) A-Co-NG对UA的响应时间；(e) A-Co-NG对UA检测的稳定性；(f) 人血清样品中添加标准UA对A-Co-NG进行回收率研究。
为了解A-Co-NG与UA之间的相互作用，首先采用DFT方法计算了UA分子垂直吸附或平行吸附到A-Co-NG上Co原子的吸附能。DFT结果显示，UA在A-Co-NG中Co原子上的垂直吸附和平行吸附构型的相互作用距离分别为2.31和2.38 Å，表明A-Co-NG中Co原子与UA之间的相互作用较弱。基于之前的工作，A-Co-NG单原子催化剂在碱性电解液中氧化反应的决速步骤为羟基(OH⁻)与Co²⁺反应生成Co³⁺。结合UA检测CV实验结果(图3a)，也证实UA检测中，A-Co-NG活性中心Co价态为+3。因此可推断，UA在单原子Co中心的氧化反应机理如下：首先Co²⁺中心在氧化电位下与OH⁻结合形成Co³⁺-OH结构，随后UA通过O-H键吸附到Co原子上，形成Co³⁺-OH-UA*中间态，伴随电荷转移，电子从UA传递给Co³⁺-OH，导致N-H键断开，同时三价钴被还原成二价钴。计算得到Co³⁺-OH+*UA态向Co²⁺-H2O+*UA_H态转变的能垒为0.3 eV (图5a)，此外*UA_H从Co²⁺-H₂O上脱附所需能量比较小。最后，H₂O分子从Co²⁺-H₂O上脱附下来，催化剂回到原始状态。图5b显示了UA分子在-Co-NG单原子的氧化过程。
图5. (a) A-Co-NG纳米酶上UA氧化途径的吉布斯自由能谱。(b) UA在A-Co-NG纳米酶上氧化过程的机理示意图。
胡芳馨
本文第一作者
苏州科技大学 讲师，硕士导师
电化学生物传感器及细胞检测研究：(1)高灵敏高选择性电化学传感器的构建及其在葡萄糖、尿酸、多巴胺、一氧化氮、超氧负离子等小分子的原位实时检测中的应用。(2)强生物兼容性细胞原位生长及检测平台的搭建。(3)新型功能材料的设计、合成及应用。
▍主要研究成果
在相关领域杂志包括Advanced Functional Materials, Analytical Chemistry, Biosensors and Bioelectronics, Chemical Engineering Journal, Sensors & Actuators B, Nano Energy, Nano Research等发表SCI收录论文30余篇，论文总引用次数1300逾次，H因子14。申请专利10项，主持及参与科研项目7项，包括国家自然科学基金青年项目等。
▍Email: hufx278@usts.edu.cn
郭春显
本文通讯作者
苏州科技大学 教授，硕士导师
以低维度材料为中心，设计和可控制备了系列新型材料，通过对材料物化性质的调控及其化学能源和传感分析应用相结合的创新研究，揭示了低维度材料的结构效应及表界面特性，构建了多种高效化学能源和超敏传感器件。
▍主要研究成果
在相关领域杂志包括 Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.(3 篇)、Energy Environ. Sci.(6 篇)、Chem(2篇)、Adv. Mater. (2 篇)、Adv. Energy Mater. (4篇)、Adv. Funct. Mater. (3 篇)等发表论文 120 余篇，论文被引用 10500余次，主持国家基金/人才项目5项、省部级科研/人才项目3项，申请和获批发明专利12项。担任《Materials Reports: Energy》副主编、英国皇家化学会杂志《Nanoscale Horizons》顾问编委。
▍Email: cxguo@usts.edu.cn
杨鸿斌
本文通讯作者
苏州科技大学 江苏省特聘教授，硕士导师
包括无机纳米材料合成制备，及其在光电催化，洁净能源及生物医疗中的应用。包括：(1)配位结构可调的单原子催化剂可控及低成本批量制备。(2)单原子催化剂在能源存储转化，小分子转化合成及生物医药领域中的应用。(3)基于单原子催化体系的催化反应机理研究，如二氧化碳还原，产氢，氧还原反应。
▍主要研究成果
已在Nature Energy, Science Advance, Chem，Energy Environ. Sci., ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chem. Int. Ed., Adv. Energ. Mater.等期刊发表论文100余篇。引用数量>10000次, h-index: 49 (google scholar)。江苏省特聘教授，主持国家自然科学基金面上项目等。
▍Email: yanghb@usts.edu.cn
李长明
本文通讯作者
苏州科技大学 教授，博士导师，海外院士
包括功能材料(能源、生物)、清洁能源(锂电池，燃料电池，氢能源，超级电容器，太阳能电池等)、生物传感与芯片。
▍主要研究成果
已发表700多篇SCI顶尖论文，美国和中国等专利280多项，国际/国内学术大会主题或邀请报告200多次，SCI 总引用36,000多次，H因子91。2014年来连续荣获汤森路透全球材料精英，科睿唯安全球交叉学科和爱思唯尔全球材料高被引科学家。承担重大科研项目总经费2.3亿多人民币。任国家重点专项评审会评专家、国家奖通讯评审专家、国家高层次引进人才评审专家、长江讲座教授和长江特聘教授评审专家以及美国、新加坡、加拿大、英国与欧洲科学基金评审专家等。欧洲科学院院士(2020)、俄罗斯工程院外籍院士(2019)、美国医学与生物工程院院士(2010)、英国皇家化学学会会士(2010)、国际薄膜学会会士(2018)、中国教育部海外名师(2012)、澳大利亚国立大学全球遴选GRAIG访问教授(2012)、澳大利亚卧龙岗大学荣誉教授与中科院过程研究所名誉研究员(2012)。
▍Email: ecmli@usts.edu.cn
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。
E-mail：editor@nmletters.org
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