本期分享一篇2023发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》上的工作，作者张勇博士等利用具有优异电催化活性的单原子纳米酶（FeSAs）开发了选择性催化尿酸（UA，1−425 μM）的传感器，实现对汗液UA的准确分析。题目为“Fe Single-Atom Nanozyme-Modified Wearable Hydrogel Patch for Precise Analysis of Uric Acid at Rest”，通讯作者为重庆大学霍丹群教授、侯经洲博后。
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引言
汗液可穿戴生物传感器因其可以在皮肤界面分析物理和生物信息，为预防和治疗疾病提供基础数据和参考信息而受到广泛关注。汗液通过皮肤腺体分泌，携带多种生物分子信息，可以反映人体的生理或病理状态。与运动出汗的高出汗率和复杂干扰相比，静息出汗的检测更能反映身体状况。目前大多数用于尿酸（UA）检测的可穿戴传感器都是在运动汗液中进行测试，而缺乏能够检测静息汗液中UA的传感器。
单原子纳米酶(FeSAs)是一种高性能的敏感材料，具有明确的活性中心，优异的电催化活性和选择性。但FeSAs在合成过程中往往存在金属负载量和活性位点密度低的问题，从而导致催化活性下降。因此有必要探索FeSAs的合成和催化机理，以提高活性位点密度，使其适合汗液UA的灵敏检测。同时，导电聚合物聚苯胺（PANI）具有稳定的pH传感和检测能力，可用于实时监测汗液pH值。此外水凝胶，作为一种高分子材料，由于其优异的吸水性、保湿性和保水能力，在汗液采集中显示出潜在的应用前景。因此张勇博士等提出了一种可穿戴汗贴，用于精确检测静息汗液中的UA。其中对于静息汗液采集，在电极检测区域填充亲水性水凝胶，以减少测量前汗液体积的积累；检测方面则通过将S原子掺杂到FeN4配位环境中来合成FeSAs，同时还将pH传感器集成到可穿戴贴片上，采用PANI检测pH值，通过pH校准可实现准确的汗液UA分子分析。
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创新点
（1）利用具有优异电催化活性的单原子纳米酶（FeSAs）开发了选择性催化尿酸（UA，1−425 μM）的传感器
（2）通过密度泛函理论探讨了UA的催化机制。
（3）将聚苯胺被集成到可穿戴贴片中用于pH检测。
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原理
FeSAs在Fe-O构型周围显示出电子积累，而 UA 在胺基周围显示出电子缺乏。因此，在静电相互作用的驱动下，UA的茶胺基团对Fe-O发起了亲电攻击，促进了FeSAs·OH + UA(III)的形成。然后，在氧化电位的驱动下，反应体系中的电子重新分布，导致N-H键断裂，形成FeSAs·H2O(IV)和UA-H。最后，FeSAs在H2O解吸后回到初始状态。在此途径中，UA分子分裂氢原子和电子被氧化，感应出约 0.25−0.4 V 的目标电信号（图1）。
图1 原理图
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主要结果
1、FeSAs 修饰电极的物理表征
TEM结果表明，FeSAs在高温热解后保留了其晶体结构，在FeSAs的XRD图谱中没有观察到Fe元素的特征峰，这表明FeSAs表面不存在晶态Fe元素。为了进一步阐明FeSAs中的Fe构型，采用ACHAADF-STEM进行原子级观察，发现FeSAs上散布着大量的Fe单原子，这表明PANI附着的ZIF-8的合成方案是有效的并且充分暴露活性位点将确保UA检测的高灵敏度。FeSAs呈现出多孔且粗糙的石墨层结构，为 Fe 原子附着到支架上提供了丰富的可能性。同时，在所选区域的能谱(EDS)图证明了C、N、S和Fe在FeSAs中的存在和分布，以下结果表明了FeSAs的成功制备（图2）
图2 (A−C)不同尺度下FeSAs的HR-TEM图像(bar：100、10和20nm)。(D,E) FeSAs中C、N、S和Fe元素在EDS图中的分布。(F) FeSAs的HAADF-STEM图像(bar:2nm). (G−I) FeSAs的XPS分析。
2、可穿戴传感器的演示
本文通过循环伏安法（CV）在含有5 mM [Fe（CN）6]3−/4−探针的电解质中表征电化学性质，FeSAs@SPCE表现出优异的电荷转移性，能够灵敏、快速地检测UA，同时还探究了FeSAs@SPCE在不同扫描速率下响应UA的反应动力学。由于UA检测结果受pH值影响，因此还进行了pH检测（图3）。
图3 (A)裸SPCE电极和FeSAs修饰SPCE电极在0.5 mM[Fe(CN) 6]3−/4−中的CV测试。(B)PBS 溶液中200 μM UA中扫描速率(10−110mV/s) 对CV曲线的影响。(C)扫描速率与电流响应之间的线性关系(n=3)。(D)不同UA浓度下的DPV测试。(E)UA与电流响应的标准曲线(n=3)。(F)UA传感器在pH7下的抗干扰测试。(G)稳定性测试(n=3)。(H)UA在不同pH条件下的DPV曲线。(I)不同pH条件下电流响应与UA浓度的线性关系(n=3)。(J)不同pH值标准缓冲液的OCPT曲线。(K)OCP与pH之间的线性关系(n=3)。(L)pH传感器的稳定性测试(n=3)。
3、水凝胶用于汗水集体逮捕的可行性与身体汗液分析
静息汗液的分子检测有可能为监测生理和病理状况提供有价值的信息，本文进行了系列研究来评估使用琼脂糖水凝胶收集静息汗水与测试佩戴贴片的可行性（图4）。
图4 (A)汗液分泌率1000nL·min -1·cm2条件下Rwell、ΔP、Pg的计算。(B,C)简易滤纸装置示意图。(D) 使用2%琼脂糖水凝胶收集的汗液的光学照片（对照：载玻片上的 6 μL人工汗液）。(E)2%琼脂糖水凝胶收集的汗液量与时间的关系(n=3)。(F)不同比例的琼脂糖水凝胶2.5h后收集的汗液量(n=3)。(G−I)贴片真实样本测试。
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结果与展望
本文展示了可穿戴水凝胶传感器贴片，用于准确检测静息汗液中的UA。该传感器贴片集成了具有粗糙多孔结构的单原子纳米酶（FeSAs），能够在1−425 μM的线性范围内对UA分子进行高选择性和高灵敏度的检测。为了减轻pH波动对汗液UA检测信号的影响，我们还在贴片中集成了基于PANI的pH传感器，从而实现了pH水平的实时监测。通过pH值的校准研究，实现了UA检测结果的精确输出。此外，琼脂糖水凝胶卓越的汗液吸收和运输能力保证了短时间内有效收集检测区域的静息汗液。最后，通过分析志愿者的休息和运动汗液样本，我们成功验证了传感器贴片在现实汗液检测场景中的实用性。我们相信，我们的研究为使用可穿戴设备分析静息汗液提供了宝贵的见解和创新思路，从而为个性化医疗的进步做出贡献。
10.1021/acsami.3c08978
来源|生化传感与检验检测