林雨青Anal. Chem.：CuZn-N/C单原子纳米酶在线监测活体脑中肾上腺素！

研究内容

尽管已经出现了许多性能优异的漆酶模拟物，但这些模拟物通常没有底物选择性，而且活性低，难以满足生理条件下监测的需求。

受天然漆酶活性位点Cu-N配体结构的启发，首都师范大学林雨青发现具有原子分散的Cu和Zn原子(CuZn-N/C)以及明确的配体结构的碳纳米材料可以作为选择性催化肾上腺素(EP)氧化的有效漆酶模拟物。基于CuZn-N/C，作者构建了一个灵敏、选择性的在线光学检测平台(OODP)用于测定EP，其检测下限(LOD)为0.235 μM，线性范围为0.2-20 μM。该系统能够实时测量右美托咪定给药后大鼠脑缺血后体内EP的释放。相关工作以“Bioinspired CuZn-N/C Single-Atom Nanozyme with High Substrate Specificity for Selective Online Monitoring of Epinephrine in Living Brain”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。

研究要点

要点1. 作者受天然漆酶活性位点Cu-N配体结构的启发，创造了一种单原子CuZn-N/C纳米酶，可作为一种非常有效的漆酶模拟物，特异性地催化EP氧化。CuZn-N/C中Cu配位体与N的配位类似于天然漆酶中氨基酸的Cu配位。CuZn-N/C纳米酶催化EP的Km比天然漆酶低近三倍，表明CuZn-N-C对EP的亲和力比漆酶强。但不催化其他常见漆酶底物如DA、DOPAC或去甲肾上腺素(NE)的氧化。

要点2. 密度泛函理论(DFT)揭示了双金属CuZn-N/C优异催化能力的机理如下：（1）CuZn-N-C催化剂中两个金属原子的精确距离使其适合于EP分子的吸附，CuZn-N/C催化剂可以提供稳定吸附的第二氢键；（2）分子轨道和态密度表明EP分子与CuZn-N/C之间的强相互作用对于EP催化氧化是重要的。

要点3. 利用CuZn-N/C的优点，作者构建了一个灵敏、选择性的在线光学检测平台(OODP)用于测定EP，检测下限(LOD)为0.235 μM，线性范围为0.2-20 μM，并实现了对活体大鼠大脑中EP变化的近实时检测。

该工作不仅提供了设计高效漆酶模拟物的想法，而且为更好地理解EP相关药物对缺血性脑血管疾病的作用建立了一个有前景的化学平台，并为探索大脑功能开辟了可能性。

研究图文

图1.（a）通过模拟结构获得具有漆酶样活性的CuZn-N/C方案。（b）CuZn-N/c的SEM和（c）TEM。（d）CuZn-N/C的HRTEM和SAED。（e）（f）CuZn-N/C和Cu，Zn原子的HAADF-STEM。（g）CuZn-N/C：C(紫色)、N(红色)、Cu(黄色)和Zn(蓝色)。

图2.（a）CuZn-N/C的Cu K-edge和（b）Zn K-edge XANES光谱。（c）Cu K-edge和（d）Zn K-edge的FT-EXAFS。CuZn-N/C的（e）Cu K-edge和（f）Zn K-edge的EXAFS拟合曲线。（g）Cu箔、CuO、Zn箔、ZnO和CuZn-N/C催化剂的WT-EXAFS图。

图3.（a）CuZn-N/C催化漆酶底物的紫外-可见吸收光谱。（b）CuZn-N/C的选择性。（c）验证CuZn-N/C催化的EP产物中不存在H2O2。（d）Cu-N/C、Zn-N/C和CuZn-N/C催化EP的紫外-可见吸收光谱。（e）无定形片状结构CuZn-N/C修饰的GCE在O2饱和和Ar饱和的PBS(pH 7.4)中的CV。（f）Cu-N/C、Zn-N/C和CuZn-N/C修饰的GCE上ORR峰值电流和初始电势。（g）CuZn-N/C催化漆酶底物的紫外-可见吸收动力学。（h）CuZn-N/C催化漆酶底物紫外吸收动力学的直方图比较。（i）CuZn-N/C催化EP和漆酶催化底物的紫外-可见吸收。

图4.（a）Cu-N/C、（b）Zn-N/C和（c）CuZn-N/C结构图。吸附EP分子的（d）Cu-N/C、（e）Zn-N/C和（f）CuZn-N/C催化剂的模型。吸附EP的（g）CuN4、（h）ZnN4和（i）CuZn-N/C的最高占据分子轨道。吸附EP的（j）CuN4、（k）ZnN4和（l）CuZn-N/C的部分态密度。

图5.（a）基于CuZn-N/C和体内微透析结合在线光学检测平台的EP在线测量示意图。（b）EP随时间变化的光强记录。（c）CuZn-N/C的OODP的LOD和Km与现有工作的比较。CuZn-N/C的OODP中EP传感的（d）选择性和（e）稳定性。（f）生理盐水组和（g）给药组，用OODP连续监测活体大鼠脑缺血前后纹状体EP水平的动态变化。

文献详情

Bioinspired CuZn-N/C Single-Atom Nanozyme with High Substrate Specificity for Selective Online Monitoring of Epinephrine in Living Brain

Mengying Li, Guo Wang, Jing Dai, Zhiqiang Zhao, Yadong Zhe, Huan Yang, Yuqing Lin*

Anal. Chem.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c02739

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