铜单原子锚定氮化碳，构建高性能纳米酶传感器

食源性致病菌是全球公共卫生面临的严重威胁，每年导致数百万人患病和巨大的经济损失。快速、准确、高效地检测这些病原体对于预防食源性疾病、保障食品安全至关重要。传统的检测技术，如平板计数、聚合酶链式反应和酶联免疫吸附测定，虽然具有可接受的准确度和灵敏度，但通常耗时较长、操作复杂且成本高昂。这些局限性凸显了对新型快速、灵敏、经济的检测方法的迫切需求。近年来，比色检测因其操作简单、响应快速和成本低廉而受到广泛关注，其核心在于使用酶模拟催化剂来产生可见信号。纳米酶作为天然酶的有前景的替代品，凭借其可调的催化性能、优异的稳定性和成本效益而备受关注。然而，传统纳米酶的结构异质性和活性位点聚集导致了原子利用率低下，限制了其催化性能和在比色传感检测中的应用。单原子纳米酶是一类具有突破性的纳米酶，其金属原子在支撑基底上呈原子级分散，具有接近100%的金属原子利用率和均匀的活性位点，从而展现出增强的催化活性和选择性。氮化碳是一种无金属二维半导体，具有层状结构、丰富的表面官能团、高稳定性和生物相容性，是锚定金属单原子的理想基底。然而，在不发生团聚的情况下稳定高密度金属原子、实现高金属负载量，对于CN基SAzyme的合成仍是一个重大挑战。

本研究旨在通过一种简化的策略，制备具有超高金属负载量且表面基团可用于生物修饰的CN基单原子纳米酶，并将其应用于食源性致病菌的免疫磁检测，以拓展氮化碳基材料在生物传感中的应用。

研究内容

图1.Cu-SA-CN纳米酶的合成与表征

研究者通过超分子自组装（以三聚氰胺和氰尿酸为前体形成氢键结合的MCA超分子前驱体）结合热聚合，成功制备了Cu单原子掺杂的氮化碳（Cu-SA-CN）。经球磨后，材料形态从不规则卷曲的纳米片转变为粒径为50-200nm的纳米颗粒。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像清晰显示原子级分散的亮点，表明Cu原子成功锚定在CN骨架中。X射线光电子能谱、X射线吸收精细结构和傅里叶变换红外光谱等分析表明，Cu主要以Cu+和Cu2+混合价态存在，并优先与吡啶氮原子配位，形成以Cu-N3为主要构型的活性中心。电感耦合等离子体光谱测得Cu负载量高达24.1wt%，远高于大多数已报道的CN基单原子催化剂。

图2.Cu-SA-CN纳米酶的酶模拟活性

通过以3,3’,5,5’-四甲基联苯胺为显色底物，验证了Cu-SA-CN具有优异的过氧化物酶样活性，可催化H₂O₂分解，将无色的TMB氧化为蓝色的oxTMB。稳态动力学分析表明，与天然辣根过氧化物酶及已报道的多种纳米酶相比，Cu-SA-CN对H₂O₂具有更低的米氏常数和更高的最大反应速率，显示出优越的底物亲和力和催化效率。该纳米酶在pH4.0、40°C条件下活性最佳，且在室温储存45天后仍能保持85%以上的活性，表现出优异的长期稳定性。该材料对ABTS和OPD等其他底物也表现出催化活性。

图3.POD样活性的催化机制

通过自由基捕获实验和电子自旋共振谱研究了催化过程中产生的活性氧物种。结果表明，在催化H₂O₂分解时，Cu-SA-CN主要生成超氧自由基，而羟基自由基和单线态氧的产生有限，对催化过程贡献较小。密度泛函理论计算进一步揭示，Cu-N3位点能更有效地吸附H₂O₂，与未掺杂的氮化碳相比，其吸附能更负，从而显著降低了后续活性氧生成的能量势垒，这是其表现出优异催化性能的原因。

图4.生物传感器的灵敏度与特异性

利用CN基体丰富的表面氨基，将Cu-SA-CN与抗体偶联，构建了免疫磁比色生物传感器。通过对免疫纳米酶探针用量、比色反应时间等参数的优化，最终建立了用于检测鼠伤寒沙门氏菌的“磁珠-细菌-纳米酶”三明治结构检测平台。该传感器在3.8×10¹至3.8×10⁶CFU/mL的宽浓度范围内呈现出良好的线性响应，检测限低至12.7CFU/mL。与大肠杆菌O157:H7、单增李斯特菌、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等五种非目标菌相比，该传感器对目标菌鼠伤寒沙门氏菌具有显著更高的响应信号，表现出高特异性。

本研究成功地利用超分子自组装和热聚合策略制备了一种负载量高达24.1wt%的铜单原子纳米酶。X射线吸收精细结构等分析证实Cu以单原子形式分散，主要与三个氮原子配位。得益于高密度原子级分散的活性位点，该材料表现出卓越的过氧化物酶样活性。机制研究表明，其催化过程主要通过Cu-N3位点激活H₂O₂产生超氧自由基来实现。基于此优异的催化性能，研究者利用材料表面的氨基基团将抗体与其偶联，构建了一个用于检测鼠伤寒沙门氏菌的免疫磁比色生物传感器。该传感器展现了高灵敏度、宽线性范围、低检测限以及良好的特异性。在加标鸡肉样品中的成功应用，进一步证明了其在复杂食品基质中进行病原体检测的实用潜力。这项工作不仅为高性能单原子纳米酶的制备提供了一种有效策略，也为开发灵敏、特异的食源性致病菌检测新方法提供了新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.141108