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

导读

近日，华东师范大学张中海课题组在《Chemical Science》发表研究论文，报道了一种基于金单原子光电电极的单分子适配体锚定策略，实现了多巴胺在活体脑区的高选择性检测。该研究不仅突破了传统适配体“聚集态”引发的非特异性识别难题，更在帕金森病模型小鼠中揭示了全新的神经递质动态模式。

研究背景

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。

创新策略

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。

核心成果

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。

oGFAP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。

总结

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。

作者简介

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

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

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文献详情：

Aptamer single-molecule dispersion on single-atom anchoring sites for high-selectivity in vivo detection
Jing Huang, Shiting Gu, Xue Zhou, Yibin Liu, Zhonghai Zhang*
Chemical Science,2025,16, 9720–9729

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d5sc01852h

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