多巴胺(DA)和尿酸(UA)是普遍存在于人体内重要的电化学活性分子。但是，DA和UA在人体中的作用好坏，取决于其浓度水平。比如，多巴胺浓度水平适度，会传递兴奋和快乐的信息，在人体生理和病理方面发挥着重要作用；而多巴胺浓度水平的异常则可能导致迟发性运动障碍和神经内分泌紊乱，如帕金森病和精神分裂症等。UA是嘌呤代谢的最终产物，普遍存在于人体血清和尿液中。UA的浓度如果过高，不仅会导致痛风和高尿酸血症，还可能抑制胰岛素信号转导，从而导致胰岛素抵抗。因为DA和UA通常在人体内共存。因此，能否同时有效的检测及监测DA和UA浓度水平，对于分析应用和诊断研究具有极其重要的意义，而单原子催化剂，就在其中发挥着非常重要的作用。

单原子催化剂（Single-atom catalysts, SACs）有丰富的活性中心和独特的催化功能，近些年在电催化领域显示了日益广阔的应用前景。比如，在贵金属单原子催化剂中，钌（Ru）基单原子催化剂在氨合成、氧化氰化、CO₂加氢体系、析氧和析氢反应中均有着广泛的应用；其中，单层石墨化碳氮化物（C₃N₄）作为一种典型的二维纳米材料，以其良好的生物相容性、优异的稳定性和适合电化学转化的能带结构，为金属原子的固定化和单原子催化剂的制备提供了理想的基质。此外，金属-氮-碳 (M-N-C) 等氮碳支撑的单原子催化剂表现出拟酶特性，其活性中心密度极高，且具有良好的导电性。

苏州科技大学胡芳馨博士（点击查看介绍）、杨鸿斌教授（点击查看介绍）与湖北民族大学李群芳副教授（点击查看介绍）之前的一项工作，报道了石墨烯负载的单原子钴催化剂用于血清中尿酸分子的超灵敏、超长检测范围传感的作用，将单原子催化剂同时运用到了电化学生物小分子的检测中。该课题组共同设计了一种高密度Ru原子分散在C₃N₄基质上的单原子仿生酶（Ru-Ala-C₃N₄），基于该仿生酶构建的电化学生物传感器实现了DA和UA的同时检测。

该课题组此项工作用透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线（EDX）元素图谱、大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和高分辨率X射线光电子能谱（XPS）研究了单原子Ru催化剂的形貌和元素状态。材料制备示意图和表征结果如图1所示，图中亮绿色的点为C₃N₄上均匀分散的钌原子（图1e），表明成功制备了单原子催化剂；所构建的Ru-Ala-C₃N₄生物传感器对DA和UA具有显著的同时催化氧化作用（图2），分离峰电位为180 mV，对DA和UA具有高的电化学性能：包括宽的检测范围（分别为0.06-490 μM和0.5-2135 μM），低的检出限（分别为20 nM和170 nM）。此外，所提取出的Ru-Ala-C₃N₄仿生酶表现出很高的灵敏度和良好的选择性。该课题组将该传感器采用标准加入法应用于实际生物血清样品中DA和UA的检测中，也得到了令人满意的结果。

图1. (a) 单原子Ru催化剂的制备示意图。Ru-Ala-C₃N₄的(b)透射电子显微镜和(c)扫描电子显微镜图像。(d)Ru-Ala-C₃N₄的原子力显微镜图像和相应的截面轮廓。Ru-Ala-C₃N₄的(e)EDX元素图和(f)HAADF-STEM图。(g)Ru-C₃N₄和Ru-Ala-C₃N₄催化剂中Ru的高分辨率XPS图像。

图2. 不同材料修饰电极同时检测100 μM DA和200 μM UA的(a)CV、 (b)DPV以及(c)电流响应；Ru-Ala-C₃N₄/GCE在0.1 M PBS(pH 7.4)中加入100 μM DA(黑色曲线)、200 μM UA(蓝色曲线)、100 μM DA和200 μM UA的混合物(红色曲线)和不加(灰色曲线)的(d)CV和(e)DPV；(f)不同材料的电化学阻抗图。

来源：X-MOL