多功能单原子纳米酶，级联催化多巴胺聚合PEC传感

光电化学生物传感技术因其响应快速、背景信号低、灵敏度高和设备操作简便等优点，在生物标志物检测、食品安全评估和生态监测等复杂生物分析领域受到了广泛关注。目前基于纳米酶的信号放大策略主要涉及催化沉淀、猝灭效应或电子受体/供体的产生。然而，以往工作中的信号报告分子是纳米酶反应产生的小分子，其信号放大和灵敏度提升的能力本质上是有限的。

此外，已报道的基于纳米酶体系催化产生的信号报告分子通常导致“信号关闭”或“信号开启”的PEC传感模式，容易产生假阳性或假阴性结果。创新的极性可切换PEC生物传感器被开发出来，以有效提高抗干扰能力和可靠性。其原理主要是通过引入无机纳米材料（如CuO、CuInS2）或小有机分子（如血红素、二茂铁）等转换因子来改变电子转移路径，从而实现光电流极性的切换。然而，如何将无机纳米材料或小有机分子引入光电材料表面并使其稳定接触仍是一个挑战。在光电材料表面原位形成聚合物转换因子可能解决这一问题。因此，对此课题的进一步研究十分必要。

研究内容

图1.PtNPs/CoSAs@NC纳米酶的结构表征

通过X射线衍射、透射电子显微镜、像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜、能量色散光谱和X射线光电子能谱等手段对材料进行了系统表征。XRD图谱显示了石墨碳和金属铂的特征衍射峰。

图2.PtNPs/CoSAs@NC的类酶活性

ESR实验证明，该纳米酶具有类过氧化氢酶活性（催化H₂O₂产生O₂）、类氧化酶活性（催化O₂产生O₂•−自由基）和类过氧化物酶活性（催化H₂O₂产生•OH自由基）。而单独的CoSAs@NC仅表现出CAT和OXD活性，缺乏POD活性。比色实验进一步验证了其催化TMB氧化和罗丹明B氧化的能力。基于这些多功能类酶活性，纳米酶能够级联催化产生•OH、O₂和O₂•−自由基，从而有效触发多巴胺聚合成聚多巴胺。

图3.生物传感平台的电化学和光电化学表征

ZnCdS修饰的ITO电极阻抗增加，而引入PtNPs/CoSAs@NC后阻抗显著降低，表明其增强了导电性。后续在脱氧多巴胺和H₂O₂溶液中孵育后阻抗进一步下降，归因于原位形成了导电的PDA。PEC测量表明，ZnCdS/ITO电极产生较大的阳极光电流（2.65μA）。修饰PtNPs/CoSAs@NC后光电流略有下降。然而，在电极表面生成PDA后，光电流特性发生了显著变化：极性从阳极转换为阴极，且光电流强度增大至6.49μA。

图4.PTP1B活性的PEC检测

在不存在PTP1B时，观察到2.3μA的阳极光电流。引入PTP1B后，光电流极性明显从阳极切换为阴极，且阴极光电流响应随PTP1B浓度增加而增强。光电流响应与PTP1B浓度的对数在0.1fM至0.1μM范围内呈线性关系，线性方程为I=-0.98lgC_{PTP1B}-4.51(R²=0.997)。检测限低至0.04fM。

为了评估该平台在复杂生物样品中的应用潜力，将其用于检测HeLa细胞裂解液中不同浓度的PTP1B，回收率结果在可接受范围内，表明该平台可用于复杂生物样品中的PTP1B活性分析。此外，还评估了PTP1B抑制剂钒酸钠的抑制效果，结果显示添加Na₃VO₄导致阴极光电流下降，其半数抑制浓度为7.39nM，与文献报道值一致，凸显了该平台在PTP1B相关药物开发中的潜在应用价值。

本研究成功开发了一种基于多功能PtNPs/CoSAs@NC纳米酶的原位级联催化多巴胺聚合策略，用于构建高灵敏度、光电流极性可切换的PEC生物传感平台。所设计的纳米酶集成了类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类氧化酶活性，能高效催化多巴胺聚合成大分子PDA。PDA作为信号报告分子，可同时放大PEC信号并切换光电流极性。该平台对PTP1B活性检测表现出高灵敏度，线性范围宽（0.1fM-0.1μM），检测限极低（0.04fM），并具有优异的选择性、良好的重现性和稳定性，在复杂生物样品中也获得了可接受的回收率。这项工作为通过纳米酶诱导的级联催化聚合实现同时的PEC信号放大和极性切换，提供了一种新颖且简便的策略，为构建高灵敏度和高可靠性的PEC生物传感器开辟了新视野。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202409990