华东师范大学张中海课题组Nat. Commun.：用于体内选择性光电化学药物检测的原子级分散识别单元

▲第一作者：徐先魁

通讯作者：张中海

通讯单位：华东师范大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-53154-z（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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本文介绍了一种基于单原子作为分子识别单元的体内光电化学生物传感器。通过将 Cu 单原子分散在TiO_2-x基底上，创建了协同锚定三位点，可高效、选择性地捕获四环素分子的双羰基和相邻双羟基。该光电极封装有防污层并植入小鼠静脉，实现了在真实生物环境中对四环素的长期体内监测。文中详细阐述了光电极的设计与制备过程、分子识别机制、对四环素的选择性识别和光电化学检测，以及传感器的抗污性能和体内检测效果，还探讨了其在伤口感染模型中的应用，展示了这种创新的传感器在个性化医疗指导方面的潜力。这项研究不仅为设计新型生物传感器提供了新思路，也为未来活体内监测技术的发展奠定了基础。

研究背景

体内电化学传感器作为一种微创传感器，在生物系统的目标分析物监测方面具有重要意义，它能够为个性化医疗提供关键支持。然而，真实生物系统的高度复杂性给体内分子检测带来了巨大挑战。传统的生物成分识别单元，如抗体、酶、受体和人工适体等，虽然在生物传感器中广泛应用，但它们存在固有脆弱性、不可逆结合、非选择性以及在体内环境中可能降解等问题，这些问题严重限制了传感器的准确性、稳定性和使用寿命。光电化学传感器作为一种新兴的分析设备，以入射光为激发源，电流为读出信号，其光电极 – 电解质界面形成的内电场能够有效避免使用外部电偏压，在体内检测方面具有独特优势。近红外光驱动或微光纤支持的光电化学传感器已被初步应用于体内检测。但是，在不使用生物成分的情况下，设计和封装光电极上的分子识别单元，以实现高选择性和准确的体内检测，仍然是一个亟待解决的难题。

本文亮点

1.创新的传感器设计：采用反向设计策略，以单原子作为分子识别单元，原子分散的 Cu 单原子在Cu₁-TiO_2-x基底上创建协同锚定三位点，能高效、选择性地捕获四环素分子的特定结构，避免了传统生物成分识别单元的诸多问题。

2.同步辐射与密度泛函理论（DFT）计算：通过同步辐射确定Cu₁-TiO_2-x的基底配位环境，并以此为依据进行建模计算四环素在不同基底上的吸附能，明确其在上能自发有效吸附，同时分析电荷密度差异，揭示高效电荷转移及选择性识别的理论依据。

3.成功的体内应用：传感器的光电极封装有抗污层后可植入小鼠静脉，实现了在真实生物环境中对四环素的长期体内监测，还应用于伤口感染模型中，通过实时监测血液中四环素浓度，优化治疗效果并减少毒副作用，展示了其在个性化医疗指导方面的潜力。

图文解析

图1 光电极的制备及结构表征

图1围绕Cu₁-TiO_2-x材料进行了多方面展示。首先介绍了光电极的制备流程，详细描述了从钛丝开始，经过一系列处理最终得到沉积有 Cu 单原子的Cu₁-TiO_2-x纳米腔光子晶体光电极的过程。然后介绍了分子识别机制，即 TET 分子通过双羰基与 Cu 单原子、双羟基与 Ti 位点形成三位点识别单元。在材料表征上，SEM 图像呈现纳米腔结构，DRS 和 FDTD 模拟说明光吸收特性，AC HAADF-STEM 及多种光谱分析确定 Cu 单原子的存在、分散状态以及其化学环境等关键信息。

图2 Cu₁-TiO_2-x对 TET 的选择性识别及 PEC 检测

图 2 主要涉及Cu₁-TiO_2-x对 TET 的选择性识别及 PEC 检测。FTIR 和拉曼光谱显示Cu₁-TiO_2-x对 TET 有选择性吸附，而TiO_2-x和 Cu NPs-TiO_2-x则效果不明显。fs-TAS 研究光生载流子动力学，表明 TET 吸附后有电荷转移。DFT 计算揭示 TET 在Cu₁-TiO_2-x上吸附能低，电荷转移高效。PEC 检测实验表明Cu₁-TiO_2-x对 TET 选择性好，不同 Cu 单原子含量影响响应，且在一定浓度范围呈线性关系，检测限低。

图3 Cu₁-TiO_2-x对 TET 的生物活性检测

图 3 围绕 PEC 体内检测 TET 展开。首先是Cu₁-TiO_2-x抗污层封装示意，通过溶剂热法制备 Z-MOF 并封装于Cu₁-TiO_2-x表面。接着进行性能测试，水接触角约43.1°，封装后降至27.3°；在 FITC – BSA 溶液中，未封装有荧光，封装后无，体现抗污性；且污染后未封装光电流降，封装后仍高。最后是体内检测，展示在小鼠尾静脉检测示意图，还包括对 TET 代谢监测及体内选择性测量结果。

图4 Cu₁-TiO_2-x在体内监测 TET 的实际应用情况

图 4 主要呈现了PEC 在体内监测 TET 的实际应用情况。首先展示了不同处理方式（PBS、C-TET、TDM-CM、TDM-HM）下大肠杆菌感染伤口在第 1、4、7、10 和 13 天的照片，直观呈现伤口愈合状态。接着给出不同处理方式下小鼠的平均伤口面积、体重变化等数据。还包括 TDM-CM 组药物浓度监测的 I-T 曲线，以及不同处理后大肠杆菌菌落的照片和存活率数据。最后通过 H&E 染色图像展示了不同处理后肝脏、肺和肾脏组织的病理变化，体现了体内监测对评估治疗效果和药物毒性的重要性。

总结与展望

本文围绕体内光电化学生物传感器展开，核心创新在于采用反向设计策略，以单原子作为分子识别单元。具体是将 Cu 单原子分散在Cu₁-TiO_2-x基底上，创建了能高效、选择性捕获四环素（TET）分子的协同锚定三位点结构。详细描述了Cu₁-TiO_2-x纳米腔光子晶体光电极的制备流程，从钛丝的预处理到多步阳极氧化，再到 Cu 单原子的沉积。通过多种先进技术对材料进行了全面表征。SEM 图像展示了纳米腔的均匀尺寸和周期性结构，FDTD 模拟证实其在近红外区域的光吸收特性。AC HAADF-STEM 以及 XPS、XAFS 等光谱分析确定了 Cu 单原子的良好分散状态、存在形式、价态以及配位环境。在性能研究方面，FTIR 和拉曼光谱证明了Cu₁-TiO_2-x对 TET 的选择性吸附，fs-TAS 研究了光生载流子动力学，显示 TET 吸附后有电荷转移。DFT 计算进一步揭示了 TET 在Cu₁-TiO_2-x上的吸附能和电荷转移情况。PEC 检测实验表明该材料对 TET 具有良好的选择性，不同 Cu 单原子含量影响响应，且在一定浓度范围呈线性关系，检测限低。此外，制备了两性离子金属 – 有机框架（Z-MOF）作为抗污层封装在Cu₁-TiO_2-x表面，通过一系列测试证明其抗污性能良好，并成功将封装后的光电极植入小鼠尾静脉进行体内 PEC 检测 TET，监测其代谢过程，体现了良好的选择性和稳定性。在大肠杆菌感染伤口模型中的应用，验证了实时体内监测药物血浓度对于优化治疗效果和降低毒副作用的重要性。

关于对生物传感器的未来展望，在材料优化方面，未来可进一步探索其他过渡金属单原子在类似传感器中的应用潜力，通过对比不同金属单原子的性能，优化传感器的选择性和灵敏度。同时，可以对材料的结构和性能进行更精细的调整。例如，进一步优化制备工艺参数，改善纳米腔的结构和光吸收性能，通过掺杂等手段提高材料的电学性能和催化活性，从而进一步提高传感器的检测性能。在应用方面，有很大的拓展空间。可以将该传感器应用于其他生物分子的检测，如检测其他抗生素、生物标志物或药物分子等，为临床诊断和治疗提供更多的工具和方法。此外，需要深入研究传感器在体内的长期稳定性和生物相容性，确保其在实际临床应用中的可靠性和安全性。同时，要进一步探索如何更好地将传感器与生物体内的生理环境相结合，提高检测的准确性和实时性，例如研究传感器与生物体内的各种生物分子和细胞的相互作用机制，以便更好地适应复杂的生物体内环境。