华东师范大学张中海团队：单原子锚定实现活体高选择性神经递质检测新突破

传统适配体生物传感器因柔性高、易交联，常在电极表面形成“nano-bushes”结构，导致非特异性吸附，限制了其在结构相似分子（如神经递质）间的选择性识别性能。为打破这一技术瓶颈，研究团队提出：通过单原子级别锚定位点实现适配体单分子分散，提升分子识别的空间分辨率和选择性。

研究构建了金单原子修饰的二氧化钛光电电极（au sa/tio₂），利用au–s键连接多巴胺（da）特异性适配体，从而构建出单分子适配体光电传感器（pec-sm-aptasensor）。这一策略有效避免了传统金纳米颗粒上适配体交联的问题，实现了适配体的空间单分子化锚定，确保了da识别的高选择性。

1.结构表征：确认单原子分布与特异性锚定机制研究通过多种先进表征手段，如haadf-stem、xanes 和 exafs，系统验证了au单原子在tio₂载体上的分散状态。haadf-stem图像中清晰可见孤立的高z值亮点，确认单原子态的存在；xanes白线增强与exafs中仅出现au–o配位峰而无au–au信号，进一步排除金簇和纳米粒子的可能性。

2.性能验证：显著提升选择性与检测灵敏度该pec-sm-aptasensor在pbs缓冲液中对多巴胺（da）显示出良好的线性响应区间（2 nm 至 3 μm）与极低的检测限（lod = 0.25 nm）。在富含抗坏血酸（aa）、5-ht、ne等干扰物的复杂体系中，也仍保持高信噪比。相比之下，传统au np/tio₂平台因适配体交联形成“nano-bushes”，存在严重的非特异性吸附，导致对da及其结构类似物无法有效区分。

3.机制解析：单分子分布促进电子转移与信号增强飞秒瞬态吸收光谱（fs-tas）揭示，au sa/tio₂在负载适配体后，电子寿命参数τ₂和τ₃显著缩短，说明电子从tio₂传递至au sa再至适配体的通路顺畅，复合几率下降；而au np/tio₂平台因适配体之间形成复杂网络结构，反而拉长电子寿命，表明电荷传输受阻。此外，pec测试显示au sa系统在nir照射下具有更高的光生电流与更长的载流子寿命。该机制证实了“适配体单分子化”不仅提高选择性，也同步优化了检测信号质量。

4.活体应用：解码帕金森病模型中da真实动态微型pec传感器被成功植入小鼠不同脑区（str、hip、pfc）进行实时da监测。研究首次揭示：在帕金森病模型小鼠中，尽管总体单胺类递质（包括ne、5-ht等）普遍下降，但前额叶皮层（pfc）中da浓度却保持相对稳定。该发现颠覆了此前普遍认为“pd小鼠皮层da显著下降”的观点，提示pd早期认知功能缺失可能并非由于da下降，而与其他递质（如ne/5-ht）变化更为相关。

5.多实验验证：从组织、分子到行为的全链路证实为验证pec检测结果的可靠性，研究同时开展了多项验证实验：

o 免疫组化与免疫荧光：pfc中th水平轻微下降但非显著，而5-ht转运蛋白（5-hitt）和去甲肾上腺素转运蛋白（net）下降更为显著，验证pfc中非da递质变化主导信号下降。

o gfap和αsyn染色：pd小鼠str与pfc中出现典型炎症反应与蛋白聚集，hip区则基本无明显变化，与传感信号趋势高度一致。

o 行为学测试：pd小鼠在开放场实验中表现出典型运动障碍，但在时间顺序识别（pfc功能）与新物识别（hip功能）实验中表现正常，进一步支持“pfc中da未变，认知功能未损”的结论。

本研究开创性地将单原子材料引入到适配体传感器构建中，通过单分子锚定策略大幅提升检测的选择性与灵敏度，成功实现多巴胺在复杂脑环境下的活体高保真检测。该策略不仅突破了神经递质检测的技术瓶颈，也为解析神经系统疾病（如帕金森病）中的神经递质动态提供了新的技术手段与认知路径。

张中海教授，华东师范大学化学与分子工程学院、绿色化学研究中心，长期从事单原子催化材料与分子识别体系研究。近年来在nat. commun., pnas, angew. chem., adv. mater., joule, acs nano, adv. funct. mater., nano lett., anal. chem.等国际著名学术期刊上发表高质量学术论文100余篇。文章他引超过7500次，h-index达到47。

课题组主页：https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/zzh2/main.psp

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