華東師範大學張中海團隊：單原子錨定實現活體高選擇性神經遞質檢測新突破

傳統適配體生物傳感器因柔性高、易交聯，常在電極表面形成“nano-bushes”結構，導致非特異性吸附，限制了其在結構相似分子（如神經遞質）間的選擇性識別性能。為打破這一技術瓶頸，研究團隊提出：通過單原子級別錨定位點實現適配體單分子分散，提升分子識別的空間分辨率和選擇性。

研究構建了金單原子修飾的二氧化鈦光電電極（au sa/tio₂），利用au–s鍵連接多巴胺（da）特異性適配體，從而構建出單分子適配體光電傳感器（pec-sm-aptasensor）。這一策略有效避免了傳統金納米顆粒上適配體交聯的問題，實現了適配體的空間單分子化錨定，確保了da識別的高選擇性。

1.結構表徵：確認單原子分布與特異性錨定機制研究通過多種先進表徵手段，如haadf-stem、xanes 和 exafs，系統驗證了au單原子在tio₂載體上的分散狀態。haadf-stem圖像中清晰可見孤立的高z值亮點，確認單原子態的存在；xanes白線增強與exafs中僅出現au–o配位峰而無au–au信號，進一步排除金簇和納米粒子的可能性。

2.性能驗證：顯著提升選擇性與檢測靈敏度該pec-sm-aptasensor在pbs緩衝液中對多巴胺（da）顯示出良好的線性響應區間（2 nm 至 3 μm）與極低的檢測限（lod = 0.25 nm）。在富含抗壞血酸（aa）、5-ht、ne等干擾物的複雜體系中，也仍保持高信噪比。相比之下，傳統au np/tio₂平台因適配體交聯形成“nano-bushes”，存在嚴重的非特異性吸附，導致對da及其結構類似物無法有效區分。

3.機制解析：單分子分布促進電子轉移與信號增強飛秒瞬態吸收光譜（fs-tas）揭示，au sa/tio₂在負載適配體後，電子壽命參數τ₂和τ₃顯著縮短，說明電子從tio₂傳遞至au sa再至適配體的通路順暢，複合幾率下降；而au np/tio₂平台因適配體之間形成複雜網絡結構，反而拉長電子壽命，表明電荷傳輸受阻。此外，pec測試顯示au sa系統在nir照射下具有更高的光生電流與更長的載流子壽命。該機制證實了“適配體單分子化”不僅提高選擇性，也同步優化了檢測信號質量。

4.活體應用：解碼帕金森病模型中da真實動態微型pec傳感器被成功植入小鼠不同腦區（str、hip、pfc）進行實時da監測。研究首次揭示：在帕金森病模型小鼠中，儘管總體單胺類遞質（包括ne、5-ht等）普遍下降，但前額葉皮層（pfc）中da濃度卻保持相對穩定。該發現顛覆了此前普遍認為“pd小鼠皮層da顯著下降”的觀點，提示pd早期認知功能缺失可能並非由於da下降，而與其他遞質（如ne/5-ht）變化更為相關。

5.多實驗驗證：從組織、分子到行為的全鏈路證實為驗證pec檢測結果的可靠性，研究同時開展了多項驗證實驗：

o 免疫組化與免疫熒光：pfc中th水平輕微下降但非顯著，而5-ht轉運蛋白（5-hitt）和去甲腎上腺素轉運蛋白（net）下降更為顯著，驗證pfc中非da遞質變化主導信號下降。

o gfap和αsyn染色：pd小鼠str與pfc中出現典型炎症反應與蛋白聚集，hip區則基本無明顯變化，與傳感信號趨勢高度一致。

o 行為學測試：pd小鼠在開放場實驗中表現出典型運動障礙，但在時間順序識別（pfc功能）與新物識別（hip功能）實驗中表現正常，進一步支持“pfc中da未變，認知功能未損”的結論。

本研究開創性地將單原子材料引入到適配體傳感器構建中，通過單分子錨定策略大幅提升檢測的選擇性與靈敏度，成功實現多巴胺在複雜腦環境下的活體高保真檢測。該策略不僅突破了神經遞質檢測的技術瓶頸，也為解析神經系統疾病（如帕金森病）中的神經遞質動態提供了新的技術手段與認知路徑。

張中海教授，華東師範大學化學與分子工程學院、綠色化學研究中心，長期從事單原子催化材料與分子識別體系研究。近年來在nat. commun., pnas, angew. chem., adv. mater., joule, acs nano, adv. funct. mater., nano lett., anal. chem.等國際著名學術期刊上發表高質量學術論文100餘篇。文章他引超過7500次，h-index達到47。

課題組主頁：https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/zzh2/main.psp

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