中科院深圳先研院周文华等：脂质体限域合成轴向单原子纳米酶用于高灵敏免疫分析

Confined Synthesis of Axial Chlorine Coordinated Single‑Atom Nanozyme Within Liposomes for Sensitive Immunoassay

Chenchen Chu, Mingyang Jiang, Yubei Zhang, Kun Feng, Chaolei Hua, Lie Wu, Yijie Chen, Ling Ji*, Xitong Gao, Xue-Feng Yu, Shengyong Geng*, Wenhua Zhou*

Nano-Micro Letters (2026)18: 293

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02136-5

本文亮点

1. 轴向氯配位工程构建新型单原子纳米酶：本文通过低温光化学方法，在脂质体内部构建了PtN₃Cl₂单原子纳米酶。这种独特的轴向氯配位结构，经同步辐射X射线吸收光谱验证，诱导了最佳的d带中心调制，与传统的PtN₃构型相比，显著降低了反应能垒。

2. 非接触式功能化实现活性位点完整性与超高催化效率：独特的结构使抗体偶联无需阻断活性位点，通过脂质体封装实现非接触式功能化，完全保留了催化活性，并避免了抗体对催化位点的占据，与直接修饰到Pt单原子上相比，米氏常数(Kₘ)降低了50倍。

3. 构建超灵敏免疫传感器实现病毒抗原检测：基于PtSANs@Lipo的免疫传感器实现了呼吸道病毒抗原的超灵敏检测，对H1N1流感病毒、SARS-CoV-2和B型流感病毒抗原的检测限低至0.42、2.23和0.36 fg/mL。

研究背景

单原子纳米酶(SANs)因其独特的原子级分散活性中心和极高的原子利用率，被视为下一代超灵敏生物传感的理想信号放大元件。然而，其广泛应用面临两大关键瓶颈：其一，普遍存在的平面配位构型(如PtN₃)限制了对金属中心电子态的深度优化，导致其本征酶活性和信号放大能力受限；其二，为实现特异性识别而进行的表面修饰(如偶联抗体)极易占据或屏蔽催化活性位点，或引入非特异性吸附，造成“功能化失活”的困境。因此，如何同步优化SANs本征催化活性，并在引入识别能力的同时绝对保护催化中心的完整性与可及性，是推动高性能纳米酶传感器发展的核心挑战。长期以来，如何实现同步解决单原子纳米酶内在催化效率不足和外在功能化导致活性位点损伤这两大顽疾，已成为该领域实现高性能生物传感器的关键科学瓶颈。

内容简介

中国科学院深圳先进技术研究院周文华等人聚焦单原子纳米酶(SANs)在生物功能化过程中催化活性易受损的核心挑战，创新性地提出了“轴向配位工程”与“脂质体非接触封装”协同集成策略。通过低温光化学法在脂质体内部原位构建了具有独特轴向PtN₃Cl₂配位结构的铂单原子纳米酶，经同步辐射X射线吸收谱学证实，该结构优化了铂活性中心d带电子态，极大地提高了其自身的氧化酶模拟效率。更重要的是，脂质体封装实现了催化中心与生物识别元件的空间隔离，通过在脂质体表面偶联抗体实现“非接触”功能化，有效避免了对单原子活性位点的占据或屏蔽，使得功能化后的纳米酶米氏常数(Kₘ)较传统策略降低50倍，极大保留了信号放大效能。基于此，所构建的免疫传感器实现了对甲型流感病毒(H1N1)、SARS-CoV-2等呼吸道病原体抗原fg/mL量级的超高灵敏度检测，并获得与RT-qPCR高度一致的临床验证结果。该工作通过“轴向配位-脂质体封装”协同策略，成功突破了单原子纳米酶在生物功能化过程中活性易损的瓶颈，为构建高性能、高稳定性的纳米酶生物传感系统提供了新思路。

图文导读

I 冰与光的交响：赋能脂质体内单原子催化剂的原位精准构建

如图1所示，本研究创新性地提出并实施了“光化学还原”与“冰限域锚定”相结合的双重策略，成功在脂质体内部原位构筑了结构精确的铂单原子纳米酶(PtSANs@Lipo)。该策略通过365 nm紫外光驱动石墨烯量子点(GQDs)引导Pt单原子形成与锚定，同时利用-20°C的冰相环境有效抑制Pt原子聚集，确保了原子级精度。经优化合成参数，实现了Pt单原子的最大化负载与均匀分散。高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)表征直接证实了PtSANs@Lipo中大量高度分散的Pt单原子(平均尺寸0.15 nm)，且原子间距远大于金属Pt-Pt键长，证明了纯单原子态。HAADF-STEM空间映射与能量色散X射线光谱(EDS)进一步揭示了Pt在脂质体核心的独特梯度分布，印证了合成过程的高度空间可控性。相较于传统“先合成后封装”的被动方法，本原位合成策略展现出显著优势：它不仅有效避免了Pt原子流失(负载量损失达2.6倍)和分散不均问题，更赋予PtSANs@Lipo优异的长期胶体稳定性。这项工作成功突破了脂质体封装单原子纳米酶在合成过程中原子易流失、结构难控制的关键瓶颈，为后续高性能生物传感与即时诊断探针的构建奠定了坚实的材料基础。

图1. PtSANs@Lipo 的合成策略与结构示意图。

II 原子结构解析：协同配位与电子态调控

为深入理解PtSANs@Lipo的高效催化性能，本研究对其晶体结构与电子态进行了多维度分析(图2)。X射线衍射(XRD)结果仅显示碳载体的非晶宽峰，未观察到金属铂的衍射信号，这证实了铂以原子级分散状态存在，避免了纳米晶的形成。X射线光电子能谱(XPS)进一步确认了材料由C、N、O、Cl和Pt元素组成，并揭示铂主要以Pt²⁺态存在，这与氮配位单原子位点的缺电子特性相符。此外，N 1s谱的光诱导演变以及Cl 2p谱的分析，均支持了Pt-N-Cl的配位结构，特别是确认了Pt-Cl键的稳定存在。同步辐射X射线吸收谱(XAS)研究提供了PtSANs@Lipo原子配位环境的精准解析。XANES谱显示铂的吸收边能量介于Pt箔与PtO₂之间，再次印证了Pt²⁺与Pt⁰氧化态共存，并暗示了有利于催化的从Pt到N/Cl配体的电荷转移，形成了缺电子活性中心。更关键的是，FT-EXAFS的定量拟合结果明确指出，Pt同时与3个N原子和2个Cl原子配位，形成了独特的扭曲四方锥几何构型PtN₃Cl₂。这种精确的PtN₃Cl₂配位结构，特别是轴向Cl配体的存在，构建了高度极化的电子结构。这种结构不仅有效保持了Pt的原子级分散稳定，而且通过N₃与轴向Cl₂的协同配位，显著促进了底物的活化，为PtSANs@Lipo的卓越催化性能提供了坚实的结构基础。

图2. PtSANs@Lipo的原子配位特征分析。

III 催化性能与机制：本征活性强化与位点完美保护

研究系统评估了PtSANs@Lipo的类氧化酶(OXD)催化性能(图3)。得益于独特的轴向PtN₃Cl₂配位结构，该材料在无需H₂O₂的条件下即可高效催化TMB等底物，其活性源于对溶解氧的活化并生成·OH自由基，展现出卓越的本征OXD活性。动力学分析表明，其对TMB的米氏常数(Kₘ)低至0.022 mM，处于同类纳米酶的顶尖水平，直接证实了轴向氯配位对催化效率的极限提升。除此之外，该研究通过精心设计的对比实验，实证了脂质体封装对活性位点的完美保护效应。当抗体直接偶联于未封装的单原子纳米酶时，其Kₘ值急剧下降约50倍，表明底物表现亲和性发生明显变化。然而，同样的抗体修饰对脂质体封装的PtSANs@Lipo的催化参数几乎无影响。这无可辩驳地证明，脂质体“非接触”功能化策略成功构建了一道物理屏障，实现了生物识别功能与催化活性中心在空间上的完全解耦，从而在引入高特异性识别能力的同时，无损地保留了单原子位点的极限催化活性，从根本上攻克了纳米酶功能化导致失活的关键难题。

图3. PtSANs@Lipo的催化性能研究。

为揭示其超高活性的起源，密度泛函理论(DFT)计算从电子结构层面给出了机制阐释(图4)。通过对比PtN₃、PtN₃Cl与PtN₃Cl₂构型，发现轴向双氯配位(PtN₃Cl₂)实现了催化全过程的协同优化：N₃配位保障了高效的O₂吸附与初级活化；而轴向Cl₂配位则通过调控Pt的d带中心，显著削弱了关键中间体OH的吸附强度，从而将速控步骤(OH脱附)的能垒降至最低。这种“高效活化-弱化吸附”的电子结构设计，是打破传统活性“天花板”的核心。

图4. 轴向Cl配位介导的类OXD活性DFT计算。

IV PtSANs@Lipo免疫传感器：超灵敏呼吸道病毒检测与智能AI辅助诊断

基于PtSANs@Lipo材料卓越的催化性能、稳定的原子分散状态及独特的轴向氯配位结构，本研究成功构建了一个面向临床应用的高性能免疫传感与智能诊断平台(图5)。本研究开发了一种基于PtSANs@Lipo的超灵敏双抗体夹心免疫传感器。该传感器通过脂质体封装实现活性位点保护和高效抗体偶联，能够以fg/mL级的极低检测限(对甲型流感H1N1、SARS-CoV-2、乙型流感病毒抗原的检测限分别达0.42、2.23、0.36 fg/mL)实现对多种呼吸道病原体的快速比色检测。其灵敏度比商用胶体金试纸条提升至少三个数量级。在30例临床鼻咽拭子样本的验证中，传感器检测结果与金标准RT-qPCR方法达到100%一致，且检测时间显著缩短至20分钟以内，展现了媲美实验室标准方法的准确性与远超其的便捷性及高效性。

图5. PtSANs@Lipo免疫传感器在呼吸道病原体检测中的应用。

除此之外，为克服传统比色法在精确定量与复杂数据解读方面的局限，本研究进一步将PtSANs@Lipo免疫传感器与人工智能(AI)平台深度集成(图6)。用户通过智能手机小程序拍摄显色图片，上传后由基于深度学习训练的AI模型在2分钟内完成分析，即可准确输出病原体的浓度范围。在临床样本测试中，该AI平台实现了100%的浓度范围分类准确率。这一“高性能传感材料+智能算法”的创新融合，成功将复杂的实验室检测转化为操作简单、结果可靠的即时诊断(POCT)工具，为呼吸道病毒的快速筛查与智能决策提供了强大支持。

图6. 基于PtSANs@Lipo免疫传感器的H1N1抗原比色检测中的机器学习应用。

V 总结

本研究提出了一种低温光化学合成策略，成功制备了具有轴向PtN₃Cl₂配位的脂质体封装Pt单原子(PtSANs@Lipo)。该策略不仅显著增强了PtSANs的类氧化酶催化活性，还克服了单原子纳米材料(SANs)功能化和生物传感稳定性方面的长期挑战。与传统被动封装方法相比，这种在脂质双层内直接合成的方法有效防止了金属泄漏，实现了更高的Pt载量。脂质体介导的非接触功能化在识别生物分子共价结合过程中保护了SANs的活性位点，并有效抑制了干扰生物分子的非特异性吸附。

密度泛函理论(DFT)计算表明，PtSANs@Lipo的轴向Cl配位优化了电子结构，降低了*OH脱附能垒，从而增强了O₂活化。脂质体对催化位点的保护与PtN₃Cl₂配位固有的优越催化性能相结合，使得该生物传感器能够实现呼吸道病毒的超灵敏检测，并与RT-qPCR具有100%的临床一致性。

总而言之，这项工作开发了一种结合原子尺度配位调制与脂质体功能化的双重工程策略，为生物传感器中的信号放大元件设计提供了新思路，并有望应用于流行病监测和精准医疗领域。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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