單原子催化，用於生物分析也出色

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自從中國科學院大連化學物理研究所的張濤院士課題組於2011年首次提出單原子催化的概念 [1] 後，該類催化劑就受到越來越多的關注。單原子催化劑是一種特殊的負載型金屬催化劑，專指載體上的所有金屬組分都以單原子分散的形式存在，不存在同原子金屬-金屬鍵。該類催化劑的原子利用率高，反應活性強。然而，該類催化劑也存在一定的缺點，比如為了避免單原子的聚集，單原子金屬的負載量往往很低，並且催化劑在催化過程中常常涉及到價態的變化，使得催化穩定性很難保持。另外，單原子催化劑受載體上原子的影響也很大。單從名稱上看，也能知道單原子催化劑主要的應用領域是催化，近年來在諸如電解水、二氧化碳還原、固氮等等光電催化領域大放異彩。筆者今天要介紹的，卻是單原子催化概念在分析領域的應用。

多巴胺（DA）是大腦中含量最豐富的兒茶酚胺類神經遞質，它可以調控中樞神經系統的多個生理過程。醫學上通過檢測DA的含量可以用來診斷帕金森氏病、阿爾茨海默病、精神分裂症、Tourette症候群、注意力缺陷多動症候群以及垂體腫瘤等疾病。通常情況下，可以用多種方法檢測DA（如光譜法、質譜法、液相色譜法、電化學法等），其中電化學傳感器因靈敏度高、成本低、響應快以及易於實現高容量檢測等諸多優點被廣泛用於檢測DA。儘管先前的報導已經實現了DA低濃度（pM）的檢測，但必須要使用貴金屬（如Au）或生物捕獲分子（如核酸、適體、酶），這不僅增加了製造的複雜性，還增加了檢測成本並限制了可擴展性。那麼，能否開發出一種超靈敏的電化學傳感器來實現DA的體外快速檢測？

Aida Ebrahimi教授（左）和Mauricio Terrones教授（右）。圖片來源：PSU

近期，美國賓夕法尼亞州立大學的Aida Ebrahimi教授和Mauricio Terrones教授等研究者把目光投向了二維材料MoS2和Mn，選擇前者是因為二維材料已成為一種用於構建包括DA傳感器在內的柔性和超靈敏傳感器的新興材料平臺，而選擇後者是因為有研究表明Mn可通過Mn(II) / Mn(III)的氧化還原循環來催化DA氧化，他們認為將Mn摻入MoS2中有望提高DA檢測的選擇性。由此，他們設計了一種基於Mn單原子摻雜MoS2的超靈敏DA電化學傳感器。具體而言，利用電沉積法在熱解石墨片（PGS）上沉積MoS2，然後對MoS2熱摻雜Mn單原子，由此製得得Mn-MoS2電極可用於電化學傳感器直接選擇性地檢測DA。在磷酸鹽緩衝溶液中的檢出限可以低至50 pM，檢測範圍為50 pM ~5 µM；在10%血清和人工汗液中的檢出限分別為5 nM和50 nM。相關成果發表在Science Advances 期刊上。

首先，作者通過兩步法製備並表徵了摻雜Mn金屬原子的MoS2（圖1）。具體而言，將無定形MoS2電沉積在熱解石墨片上製備MoS2 / PGS（step 1，圖1A），隨後利用固體氣相沉積法在其表面引入Mn金屬原子（step 2，圖1A），與此同時無定形MoS2也結晶。STEM和X-射線光電子能譜（XPS）顯示~68%的Mn原子以替代MoS2中Mo原子的形式存在（MnMo），其它的則吸附在Mo原子頂部上（MntopMo）。基於原子序數襯度（Z-contrast）機理，如果Mn原子替代摻雜MoS2，那麼Mn原子與Mo原子相比襯度較低（圖1C）；相反，如果Mn原子作為吸附原子連接在Mo原子的頂部，則其襯度比Mo原子更高（圖1D）。

圖1. Mn-MoS2電極的製備與表徵。圖片來源：Sci. Adv.

如圖2A所示，為了比較PGS、MoS2 / PGS和Mn-MoS2 / PGS的電荷轉移特性，作者使用電化學阻抗譜（EIS）和循環伏安法（CV）對其進行測試。結果顯示該傳感器檢測過程與Randles等效電路十分符合，該電路由溶液電阻（Rsol）、電荷轉移電阻（Rct）、雙層恆相位元件（CPE; Qdl）和Warburg阻抗元件（ZW）組成（圖2B）。其中MoS2 / PGS的Rct [(7.10 ± 0.4) × 104 ohms]比Mn-MoS2 / PGS的Rct [(4.49 ± 0.5) × 104ohms]高，這表明Mn原子的存在有利於DA的吸附。隨後，作者用差分脈衝伏安法（DPV）測量了電化學傳感器的檢測性能（圖2C）。在磷酸鹽緩衝溶液（pH = 7.2）中，檢出範圍為50 pM~50 µM，定量關係為log In = 1.194 + 0.405 logρDA；隨著DA濃度的增加，Mn-MoS2表面的DA趨於飽和，電流信號增加緩慢，此時定量關係變為log In = 0.470 + 0.085 logρDA。值得一提的是，基於Mn-MoS2 / PGS的傳感器檢出限為~50 pM，這比基於MoS2 / PGS的傳感器的檢出限（500 nM）低四個數量級。

圖2. 電化學表徵檢測DA。圖片來源：Sci. Adv.

在圖2C所示的DPV表徵結果中，當DA濃度由50 nM增加到5 µM時，峰電位逐漸向正電位偏移，這通常是因為擴散係數減小，因此需要更正的電位才能克服動力學障礙。只不過在50 pM~5 nM內，峰電位（~10 mV）基本上沒有變化，而濃度從5 nM增加到5 mM時，峰電位變化了300 mV，這可能是由於DA氧化生成的副產物導致電極表面被汙染。另外，DFT計算結果顯示這可能是因為在DA濃度（50 nM~5 mM）較高時，MntopMo與DA的化學吸附作用佔主導地位，較強的化學吸附作用力使得峰電位顯著偏移；而濃度較低時（< 50 nM），MnMo與DA的物理吸附作用佔主導地位，相對較弱（圖4）。

除了檢測性能之外，作者還研究了基於Mn-MoS2 / PGS的電化學傳感器的選擇性和穩定性（圖2E、2F）。為此，他們選擇氧化還原性質與DA類似的抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）作為幹擾物。即使它們的濃度是DA的100倍以上，仍然可以實現DA的檢測，進一步證明了該傳感器良好的選擇性。作者認為，對於DA的選擇性要歸因於摻雜Mn原子的催化行為，其中氧化還原對Mn(II) / Mn(III)是DA氧化的催化位點。對於傳感器的穩定性（圖2F），從表徵結果可得在4天之後傳感器性能就開始逐漸下降，但是12天後，峰電流僅下降10％，顯示出良好的環境穩定性。

圖3. 傳感器的實際應用與小型化。圖片來源：Sci. Adv.

為了進一步展示Mn-MoS2 / PGS在醫學上定量分析的應用（對即時診斷至關重要），作者探究了Mn-MoS2 / PGS在人工汗液和10%血清中檢測DA的傳感性能（圖3A、3B）。結果顯示Mn-MoS2 / PGS在人工汗液中的檢出限為50 nM，在10%血清中的檢出限為5 nM。此外，他們還在柔性聚醯亞胺基底上製造了一個全集成傳感器（圖3C），其中Mn-MoS2 / PGS用作工作電極，PGS用作對電極，銀糊劑用作偽RE。這不僅實現了傳感器的小型化，而且在實際應用中具有巨大的價值。

為了更好地理解Mn-MoS2 / PGS靈敏度顯著提高的原因，作者進行了DFT計算。如圖4A所示，MntopMo、Mnsi和MnMo這三種缺陷均可能存在，其中MnMo的形成能明顯低於MntopMo和2Mnsi的形成能，這表明MnMo是最豐富的缺陷。此外，由於Mn與DA中的芳環形成Mn-C鍵，使得MntopMo中暴露的Mn與DA分子能夠牢固地結合。也就是說，MntopMo通過化學吸附與DA反應；而MnMo缺陷僅通過物理吸附與DA反應。當DA濃度較高時，MntopMo與DA的化學吸附作用佔主導地位；而濃度較低時，MnMo與DA的物理吸附作用佔主導地位。

圖4. 理論計算。圖片來源：Sci. Adv.

總結

在本工作中，作者利用Mn單原子摻雜的MoS2製備了一種可以實現超靈敏DA檢測的電化學傳感器，最低檢出限可以低至50 pM。單原子催化在分析領域的應用，不僅擴大了該類材料的應用範圍，也為製備新型傳感器提供了新的思路。

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）:

Single-atom doping of MoS2 with manganese enables ultrasensitive detection of dopamine: Experimental and computational approach

Yu Lei, Derrick Butler, Michael C. Lucking, Fu Zhang, Tunan Xia, Kazunori Fujisawa, Tomotaroh Granzier-Nakajima, Rodolfo Cruz-Silva, Morinobu Endo, Humberto Terrones, Mauricio Terrones, Aida Ebrahimi

Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abc4250

導師介紹

Mauricio Terrones

https://www.x-mol.com/university/faculty/1087

參考資料：

[1] Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx. Nat. Chem., 2011, 3, 634–641

https://www.nature.com/articles/nchem.1095

（本文由Sunshine供稿）