单原子纳米酶免疫分析技术：开启临床癌症检测新纪元

　　研究背景

　　横向测流免疫检测(LFIA)是一种简单、低成本的现场快速检测方法，因其用户友好性和快速检测能力，被广泛应用于大规模疾病筛查。传统的胶体金纳米颗粒因良好的胶体稳定性和易于功能化而被广泛用作商业标记信号，但其灵敏度不足，难以检测低浓度靶标。酶增强信号被认为是有前景的用于提高LFIA的灵敏度的信号放大策略。单原子纳米酶(SAzyme)因其独特的M−N4活性中心结构(如FeN4、MnN4等)表现出超越天然酶的催化效率，但其水溶性差和制备过程复杂性限制了其大规模应用。

　　研究思路

　　本研究开发了一种基于单原子纳米酶的LFIA平台。首先，通过一锅还原法合成高活性、富铂电子的单原子纳米酶(Pt1/PA)。评估了纳米酶的催化活性，并通过密度泛函理论(DFT)计算等探究了纳米酶可能的催化机制。然后。通过物理吸附法构建了Pt1/PA-Ab2免疫探针，将其与样品溶液滴至样品垫上发生反应。反应完成后，将测试线浸入TMB和H₂O₂混合溶液中，通过Pt1/PA的催化反应产生颜色变化，实现目标抗原的可视化检测。构建的基于Pt1/PA的LFIA对两种癌症生物标志物—癌胚抗原(CEA)和前列腺特异性抗原(PSA)。

　　图1(a)Pt1//PA纳米酶增强POD样活性的机制示意图;(b)Pt1/PA-LFIA用于超灵敏检测临床血清中CEA和PSA的示意图。

　　研究内容及结果

　　（1）Pt1/PA纳米酶的制备与表征（图2）：采用简单的一锅还原方法合成了Pt1/PA纳米酶。透射电子显微镜(TEM)表明Pt1/PA纳米酶具有均匀的单分散性，平均尺寸为14 nm;高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)：揭示了Pd壳层具有明显的(111)和(220)晶面的晶格条纹，Pt单原子分散在Pd载体晶格中;快速傅里叶变换(FFT)进一步验证了Pt单原子嵌入最外层纳米层的结构信息;扫描透射电子显微镜-能量色散光谱(STEM-EDS)确认了Pt元素在Pt1/PA纳米酶表面的均匀分布;此外，还通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见吸收光谱进一步证明了Pt1/PA纳米酶的高可见光吸收能力和优异的结构稳定性。其Pt单原子与载体之间的电子转移特性使其在LFIA应用中展现出显著的性能优势。

　　（2）Pt1/PA纳米酶的过氧化物酶样活性及稳态动力学分析：Pt1/PA对TMB和H₂O₂的米氏常数(Km)分别为0.17 mM和33 mM，低于PA纳米酶，催化速率常数(Kcat)分别约为天然辣根过氧化物酶(HRP)的97倍和174倍，催化效率(Kcat/Km)约为天然HRP的315倍，表明其对底物具有高亲和力和增强的催化活性。

　　（3）Pt1/PA纳米酶的增强机制研究：通过密度泛函理论(DFT)计算揭示Pt1/PA纳米酶的催化机制，并分析Pt单原子对其催化性能的影响。结果表明Pt单原子在Pt1/PA纳米酶中的催化增强机制主要通过以下方式实现：电子从Au和Pd转移到Pt原子，形成富电子活性位点，Pt单原子的引入使d带中心正移，增强了对底物的吸附能力，Pt单原子作为活性中心，促进了电子转移和催化反应的进行，这些因素共同提高了Pt1/PA纳米酶的催化性能。

　　（4）Pt1/PA-LFIA用于CEA检测性能评估（图3）：系统优化了免疫分析条件，包括标记探针的用量、免疫反应时间和催化时间。使用癌胚抗原(CEA)作为模型分析物，得到未增强的Pt1/PA-LFIA的裸眼检测限(vLOD)为0.1 ng/mL;通过催化信号增强，vLOD降低至6.25 pg/mL。使用ImageJ软件对T线区域强度进行定量检测，计算得到的检测限(LOD)为15.96 pg/mL，催化增强系统计算得到的LOD为1.21 pg/mL，低于商业酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒。

　　（5）实际样品应用：在健康人血清中加入不同浓度的CEA标准品，回收率在88.76%到109.76%之间，变异系数(CV，n=3)在0.5%到5.87%之间。方法用于临床样本检测，证明了其可靠性。

　　研究结论

　　本研究成功构建了具有高生物催化活性的Pt1/PA单原子纳米酶，用于信号放大的现场快速免疫分析(POCT)，详细探究了所制备纳米酶的催化机制，然后基于该纳米酶开发了基于催化增强模型的高灵敏度Pt1/PA-LFIA，并应用于人血清中前列腺特异性抗原(PSA)和癌胚抗原(CEA)的检测。Pt1/PA-LFIA通过催化信号放大策略显著提高了检测灵敏度和特异性，实现了临床样本的高灵敏度检测，尤其是对弱阳性样本的识别能力显著提升。

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159940