单原子钴催化剂精准调控Ru(bpy)32+电化学发光：ROS介导的多信号增强机制与肿瘤标志物检测应用

为解决Ru(bpy)32+电化学发光(ECL)免疫分析中信号分辨率不足的问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)设计钴单原子催化剂(SACs)，揭示CoC4与CoN4分别通过"ROS积累"和"ROS激增"机制增强阴/阳极ECL，构建出检测限达10?15 g/ml的比率型免疫传感器，为精准体外诊断(IVD)提供新范式。

　　

在体外诊断(IVD)领域，基于三(联吡啶)钌(Ru(bpy)₃²⁺)的电化学发光(ECL)技术因其卓越的信号分辨率成为临床检测的金标准。然而，传统检测体系面临两大瓶颈：一是缺乏电位分辨的ECL增强剂，导致多信号检测时存在交叉干扰；二是氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)过程中活性氧(ROS)生成效率低下，制约检测灵敏度。这些问题严重限制了Ru(bpy)₃²⁺在肿瘤标志物等精准检测中的应用。

针对这些挑战，重庆医科大学的研究团队创新性地将密度泛函理论(DFT)计算与单原子催化技术相结合。通过理论预测筛选出具有特定配位环境的钴单原子催化剂(Co SACs)，系统研究了其对Ru(bpy)₃²⁺多电位ECL的增强机制，并成功构建超灵敏比率型免疫传感器。这项突破性研究发表在《Research》期刊，为IVD技术发展提供了新思路。

研究主要采用四大关键技术：1) DFT理论计算预测Co-N₄和Co-C₄配位结构的ORR/OER催化路径；2) 高温热解法合成石墨烯负载的CoN₄@graphene和CoC₄@graphene单原子催化剂；3) 同步辐射X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子级配位环境；4) 旋转圆盘电极(RDE)结合电化学发光联用技术评估催化性能。

理论计算揭示配位调控机制

通过DFT计算六种CoC_xN_4-x构型的吉布斯自由能(ΔG)，发现CoC₄因ΔG₄=0.278 eV的能垒导致ORR停留在3电子转移步骤，形成•OOH/•OH积累；而CoN₄的ΔG₄=-0.455 eV促进4电子完全还原。氢过氧化物还原反应(HPRR)分析显示CoN₄能有效清除H₂O₂，避免阴极干扰。

材料表征验证单原子结构

像差校正高角环形暗场扫描电镜(AC-HAADF-STEM)显示原子分散的Co位点(密度约0.27wt%)。X射线光电子能谱(XPS)证实Co-C(283.94 eV)和Co-N(399.2 eV)特征峰。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)拟合显示CoN₄@graphene的Co-N配位数4.5±0.7，键长1.94 ?。

电化学性能测试

旋转圆盘电极(RDE)测试表明CoN₄@graphene的ORR起始电位0.01 V，电子转移数(n)=4.3-4.5；而CoC₄@graphene的n=2.5-3.3。塔菲尔斜率显示CoN₄@graphene(79 mV/dec)动力学更优。电化学活性面积(ECSA)归一化显示CoN₄@graphene的本征活性是CoC₄@graphene的1.7倍。

ECL增强机制解析

提出"ROS积累"新理论：CoC₄@graphene通过不完全3e^-ORR在-1.5 V累积•OOH，使阴极ECL达17,402 a.u.(O₂饱和条件)；CoN₄@graphene则在1.25 V通过快速OER产生•OH，触发阳极ECL(12,300 a.u.，N₂条件)。自由基清除实验证实•OOH主导阴极发光，•OH主导阳极发光。

比率型免疫传感器构建

将CoC₄@graph