《Microchemical Journal》：Smartphone-based point-of-care testing of isoniazid using an oxidase-mimicking Cu-N/C single-atom nanozyme
编辑推荐：
•研究人员开发出一种模拟氧化酶的Cu-N/C单原子纳米酶，可用于异烟肼的比色检测。•该技术无需H2O2，从而简化了操作流程并提升了检测的稳定性。•该检测方法的最低检测限为0.16?μM，且在实际样本中的检测结果与高效液相色谱法高度吻合。•通过将该技术与纸质芯片及智能手机结合，可实
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研究人员开发出一种模拟氧化酶的Cu-N/C单原子纳米酶，可用于异烟肼的比色检测。
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该技术无需H2O2，从而简化了操作流程并提升了检测的稳定性。
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该检测方法的最低检测限为0.16?μM，且在实际样本中的检测结果与高效液相色谱法高度吻合。
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通过将该技术与纸质芯片及智能手机结合，可实现现场异烟肼检测。
引言
结核病仍然是全球范围内导致死亡的主要传染病之一[1]、[2]。作为一线抗结核药物，异烟肼若长期或过量使用可能会引发严重的肝毒性，此外不同个体间的代谢差异也会导致药物疗效不足或在体内积累[3]、[4]、[5]、[6]。这些问题凸显出亟需快速、灵敏、可靠且可在现场使用的异烟肼检测方法，以便为个性化治疗和药物浓度监测提供支持。传统的分析方法，如色谱法、光谱法和电化学法，存在操作复杂、成本高昂以及不太适合现场检测的缺点[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。比色法因其简单易行且结果可直接观察，被视为一种理想的现场检测方法[12]、[13]、[14]、[15]，但基于天然酶的检测方法存在稳定性差、抗干扰能力弱的局限[16]。
为克服这些缺陷并满足现场检测的需求，纳米酶成为了一种极具潜力的替代方案。纳米酶是一种具有类似酶的催化活性的纳米材料，其催化活性包括类过氧化物酶活性、类氧化酶活性和类过氧化氢酶活性[17]、[18]、[19]、[20]。与天然酶相比，纳米酶具有制备简单、稳定性高、成本低且易于功能化改造等优点[21]、[22]、[23]。单原子纳米酶则是将金属原子以均匀的活性中心形式固定在载体上，这种结构使得纳米酶研究进一步深入到原子层面[24]。这样的结构能够最大化利用金属原子，提升催化活性和选择性，从而弥补天然酶在生物传感领域的不足[25]、[26]。
目前大多数报道的单原子纳米酶依赖类过氧化物酶活性，而这类活性需要外源性的H2O2，这就给现场检测带来了操作和稳定性方面的问题[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。而模拟氧化酶功能的单原子纳米酶则无需使用H2O2，只需以溶解氧作为电子受体，从而实现了更简单且更稳定的现场检测。对于M-N/C类型的单原子纳米酶而言，其中的金属中心（如铁、铜、钴等）决定了其催化性能[32]、[33]、[34]。基于铁的单原子纳米酶已被广泛研究，但它们大多仅具备类过氧化物酶活性[35]，且存在pH值影响下的稳定性问题，如在酸性条件下金属会析出，而在中性条件下则会发生水解聚集[36]。基于钴的单原子纳米酶虽具有类氧化酶活性，但在高活性氧环境下容易发生配位键断裂，同时还可能存在生物毒性[37]。相比之下，基于铜的单原子纳米酶因其d9电子构型以及Cu+/Cu2+氧化还原循环，能够实现高效的电子转移和无H2O2条件下的氧气活化，从而具备出色的模拟氧化酶催化功能[38]。鉴于其天然的模拟氧化酶活性、良好的pH耐受性以及较低的成本，基于铜的单原子纳米酶非常适合用于现场检测平台[26]、[39]、[40]、[41]、[42]。值得注意的是，目前尚未有报道表明存在用于异烟肼比色检测的模拟氧化酶功能单原子纳米酶。
利用异烟肼较强的还原性以及基于铜的单原子纳米酶的模拟氧化酶活性，我们开发出一种基于Cu-N/C单原子纳米酶的异烟肼比色传感器。这种传感器由金属有机框架前体衍生而来，其中含有原子级分散的不饱和Cu-N?活性位点，可通过产生活性氧来实现无需H2O2的TMB氧化反应。异烟肼会还原oxTMB并抑制其生成，从而导致652?nm处的吸光度随浓度降低，进而实现定量检测。该溶液检测法的线性范围为1.0–50?μM，最低检测限为0.16?μM，在药片和人血清样本中的检测回收率在95.1%–104.7%之间，其检测结果与高效液相色谱法高度一致（药片的R2值为0.9984，血清样本的R2值为1.000）。为了便于现场使用，我们将Cu-N/C单原子纳米酶与纸质芯片及智能手机相结合，构建了一种便携式的现场检测平台，其在相同线性范围内的最低检测限为0.65?μM。总体而言，这项研究首次提出了基于模拟氧化酶功能单原子纳米酶的异烟肼检测平台，并且该平台还具备借助智能手机进行现场检测的功能，展现了从实验室应用向实际现场检测转化的潜力。
章节要点
化学品与材料
乙酰丙酮铜（Cu(acac)2）和六水合硝酸锌（Zn(NO3)2·6H2O）购自中国杭州的中国医药化学试剂有限公司。2-甲基咪唑、谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（AA）则购自中国上海的阿拉丁生化科技有限公司。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）和异烟肼（INH）购自中国上海的西格玛-奥德里奇公司。葡萄糖（Glu）、麦芽糖（Mal）、乳糖（Lac）、果糖（Fru）、甘氨酸（Gly）、酪氨酸
Cu-N/C单原子纳米酶的表征
在本研究中，研究人员制备了一种基于铜-氮-碳的单原子纳米酶（Cu-N/C SAzyme）（见图1A）。相对于Cu(acac)?@ZIF-8前体，该单原子纳米酶的合成产率为48.42?±?1.61%（n＝3）。ICP-OES分析显示，该纳米酶中的铜含量为0.35?±?0.0022?wt%，这证明了铜已成功掺入到经氮掺杂的碳基质中。产率和金属含量的标准偏差都很小，说明该合成方法的重复性良好。
结论
总而言之，本研究基于具有天然模拟氧化酶活性的Cu-N/C单原子纳米酶开发出了一种用于异烟肼检测的比色平台，同时对该平台的分析性能及其背后的传感机制进行了系统评估。该检测方法在1–50?μM的范围内具有良好的线性关系，最低检测限为0.16?μM，且具有优异的选择性和良好的重复性。通过加标回收实验，该方法的实际应用可行性也得到了验证
CRediT作者贡献说明
魏达利：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、数据整理。 陈哲杰：论文撰写——审阅与编辑。 王学珠：检测验证、方法设计。 方周：论文撰写——审阅与编辑、概念构思。 李千如：检测验证、方法设计。 余俊钦：方法设计。 孙晓宇：方法设计。 王轩：检测验证。 田林欣：软件相关工作。 田博：论文撰写——审阅与编辑、概念构思。 葛佳：论文撰写——审阅与编辑、概念构思。 杨宇：论文撰写——审阅与编辑、项目协调
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFA0915400），中国国家自然科学基金（项目编号：22277072），中央高校基本科研业务费（项目编号：2020JCPT02），上海教育发展基金会曙光计划及上海市教育委员会，以及上海市高水平地方大学创新研究团队计划。
Dali Wei|Zhejie Chen|Xuezhu Wang|Zhou Fang|Qianru Li|Junqin Yu|Xiaoyu Sun|Xuan Wang|Linxin Tian|Bo Tian|Jia Ge|Yu Yang|Weihong Tan
