原子制造技術(shù)的突破性發(fā)展正推動傳感科學(xué)邁向全新階段。借助原子級精準(zhǔn)調(diào)控手段，現(xiàn)代傳感器在檢測精度、靈敏度和選擇性等核心性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了大幅提升。其中，單原子催化劑（SACs）憑借接近100%的原子利用率和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)特性，已成為電化學(xué)傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)SACs受限于單一化的幾何構(gòu)型與電子結(jié)構(gòu)，其離散分布的活性位點(diǎn)間缺乏協(xié)同催化效應(yīng)，反應(yīng)中間體必須固定于單一活性位點(diǎn)進(jìn)行吸附活化。這種單點(diǎn)吸附機(jī)制使活化能壘顯著升高，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)為催化動力學(xué)遲緩和底物選擇性不足，導(dǎo)致現(xiàn)有傳感器的靈敏度和抗干擾能力仍難以滿足精準(zhǔn)醫(yī)療的檢測需求，這嚴(yán)重制約了其在復(fù)雜生物體系中的應(yīng)用——如在尿酸（UA）等關(guān)鍵代謝標(biāo)志物的痕量檢測。 近日，東南大學(xué)尹奎波/孫立濤科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新策略：通過精準(zhǔn)調(diào)控耦合單原子催化劑（Correlated Single-Atom Catalysts, c-SACs）中釕（Ru）單原子間距，促進(jìn)了UA的雙位點(diǎn)吸附并加速了其電荷轉(zhuǎn)移的動力學(xué)過程。研究團(tuán)隊(duì)合成了三種不同原子間距（9.3 ?、7.0 ?、6.2 ?）的Ru基c-SACs（圖1）。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)原子間距縮短至6.2 ?時，催化劑（Rud=?.??）對UA的檢測靈敏度達(dá)到9.83 μA μM-1 cm-2，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的同類傳感器。
圖1. Ru基的c-SACs傳感原理圖 通過動力學(xué)分析和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)6.2 ?原子間距中相鄰Ru原子形成雙位點(diǎn)吸附，觸發(fā)了UA的三電子轉(zhuǎn)移氧化反應(yīng)（圖2）。相較于傳統(tǒng)兩電子轉(zhuǎn)移路徑，多轉(zhuǎn)移了一個電子，從而提高了檢測靈敏度。DFT進(jìn)一步證實(shí)，6.2 ?的原子間距優(yōu)化了UA分子與活性位點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)移效率，降低了反應(yīng)能壘。 圖2. UA電氧化途徑的吉布斯自由能圖和差分電荷圖 團(tuán)隊(duì)將Rud=?.??催化劑集成至柔性可穿戴傳感器件，實(shí)現(xiàn)了汗液中UA的實(shí)時監(jiān)測（圖3），其檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)比色法高度一致。同時，該傳感器可通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端，為痛風(fēng)等代謝疾病的早期篩查提供便利。此項(xiàng)研究不僅揭示了原子間距影響電化學(xué)催化傳感反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，還為高性能單原子傳感器的設(shè)計(jì)提供了新思路。該策略有望拓展至其他生物標(biāo)志物的精準(zhǔn)檢測，推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。 圖3 便攜式電化學(xué)設(shè)備示意圖 論文信息 Three-Electron Uric Acid Oxidation via Interdistance-Dependent Switching Pathways in Correlated Single-Atom Catalysts for Boosting Sensing Signals Bowen Jiang, Heng Zhang, Dr. Rui Pan, Min Ji, Lin Zhu, Dr. Guoju Zhang, Jing Liu, Huihui Shi, Huang Huang, Dr. Shu Wan, Dr. Kuibo Yin, Dr. Litao Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202500474
