双空间限域磁性单原子纳米酶：用于智能即时诊断的高灵敏检测平台
第一作者： Guan Liu、Chenchen Chu
通讯作者： Xiaolong Li、Shengyong Geng
通讯单位： 中国科学院深圳先进技术研究院；中国科学院大学；山西师范大学材料科学与工程学院/先进磁性材料与器件山西省重点实验室
接收时间： 2026年3月24日
发表期刊： Advanced Functional Materials
这篇文章开发了一种双空间限域磁性铂单原子纳米酶 mFeSiO2@PtSAN，并将其用于心肌肌钙蛋白I（cTnI）的免疫层析即时检测。传统胶体金或普通纳米酶探针在灵敏度方面有限，难以满足低丰度疾病标志物的早期检测需求。作者通过“介孔结构物理限域和氨基配位化学限域”的双重策略，在磁性 Fe3O4@SiO2 结构中稳定负载 Pt 单原子，形成 Pt-N4Cl2 配位结构。该结构不仅保持了磁分离能力，还显著提升了氧化酶样活性，可催化TMB 显色放大免疫层析信号。用于 cTnI 检测时，该平台实现了0.01 ng/mL 的肉眼检测限和 3.3 pg/mL 的计算检出限，较普通 Pt 纳米颗粒探针提升 26.9 倍。结合 CNN 深度学习图像识别后，临床样本分类准确率达到 94.7%。这项工作把“单原子纳米酶材料设计、磁分离富集、免疫层析检测和AI读数”整合到同一平台中，为高性能智能POCT提供了新的思路。
亮点一：提出“双空间限域”策略，实现高负载磁性Pt单原子纳米酶构建。
作者利用介孔二氧化硅孔道提供物理限域，同时利用氨基配体提供化学配位限域，使 Pt 前驱体在低温光化学还原过程中不易迁移和团聚，最终形成高分散 Pt 单原子结构，Pt负载量达到6.0 wt.%。
亮点二：构建Pt-N4Cl2配位结构，显著增强氧化酶样活性。
通过XPS、XANES、EXAFS和DFT计算，作者证明 Pt 单原子处于 Pt-N4Cl2 配位环境中。该结构可调节 Pt 的电子结构，降低 *OH 脱附能垒，从而提升氧化酶样催化活性。相比普通 Pt 纳米颗粒，该单原子纳米酶具有更低 Km 值和更高催化效率。
亮点三：实现“磁分离 + 显色放大 + AI判读”的智能POCT检测。
mFeSiO2@PtSAN 不仅可作为催化显色探针，还能利用磁性实现目标物富集与分离。用于 cTnI 免疫层析检测时，TMB催化放大后检出限达到3.3 pg/mL，并结合CNN图像识别实现临床样本自动分类，提高了检测结果读取的标准化和智能化程度。
Figure 1展示了磁性单原子纳米酶的制备路线和形貌结构。作者首先制备Fe3O4磁性核心，再包覆介孔SiO2壳层，并通过APTES引入氨基位点，最后利用低温紫外光还原H2PtCl6，使Pt以单原子形式锚定在介孔二氧化硅壳层中。从TEM可以看到材料保持典型核壳结构，AC-HAADF-STEM中大量亮点证明Pt单原子的存在。对照实验也很关键：如果没有介孔限域，会形成Pt纳米颗粒；如果没有氨基配位，则会出现Pt团簇，说明“物理限域”和“化学限域”缺一不可。
Figure 1. mFeSiO2@PtSAN的结构表征。（a）合成流程示意图；（b-e）core-Fe、mFeSiO2、mFeSiO2-NH2和mFeSiO2@PtSAN的TEM图；（f）AC-HAADF-STEM图，橙色圈标记Pt单原子；（g）EDS元素分布图；（h）FeSiO2@PtNPs的TEM图；（i）未氨基修饰mFeSiO2制备产物的TEM图；（j）XRD图谱。
Figure 2 进一步证明Pt不是以纳米颗粒形式存在，而是以单原子配位结构稳定在材料中。XPS显示mFeSiO2@PtSAN中Pt主要为Pt2+状态，并出现Pt-N和Pt-Cl键的信号；EXAFS结果中没有明显Pt-Pt散射峰，说明Pt没有形成金属颗粒。拟合结果表明，Pt中心由4个N原子和2个Cl原子配位，形成Pt-N4Cl2结构。这一部分是全文材料机制的核心，因为后续催化活性增强主要来自这种特殊的单原子配位环境。
Figure 2. mFeSiO2@PtSAN的原子结构分析。（a）mFeSiO2@PtSAN的XPS总谱；（b）FeSiO2@PtNPs的XPS总谱；（c-e）Pt 4f、N 1s和Cl 2p高分辨XPS谱；（f）Pt L3边XANES谱；（g）FT-EXAFS谱；（h）R空间拟合曲线；（i）WT-EXAFS小波变换图
Figure 3评估了mFeSiO2@PtSAN的氧化酶样活性。该材料可以在不加入H2O2的情况下，直接利用空气中的O2催化TMB氧化，使无色TMB变为蓝色oxTMB，并在652 nm出现明显吸收峰。相比FeSiO2@PtNPs，mFeSiO2@PtSAN产生更强的显色信号和更明显的·OH信号。动力学结果显示，其Km为0.068 mM，说明对底物TMB具有更高亲和力；Vmax和Kcat/Km也明显优于普通Pt纳米颗粒。这说明Pt单原子结构不仅提高了活性位点利用率，也优化了催化反应路径。
Figure 3. mFeSiO2@PtSAN的催化性能。（a）催化TMB氧化示意图；（b）TMB、TMB+FeSiO2@PtNPs和TMB+mFeSiO2@PtSAN的UV-vis吸收光谱；（c）不同mFeSiO2@PtSAN浓度下的吸收光谱；（d）对应标准曲线；（e）ESR检测·OH生成；（f，g）mFeSiO2@PtSAN和FeSiO2@PtNPs的酶动力学曲线；（h）关键催化参数比较；（i）与文献中纳米酶动力学参数比较。
Figure 4从理论计算角度解释为什么Pt-N4Cl2结构具有更强氧化酶样活性。DFT结果显示，虽然Pt-Pt表面对O2的初始电子转移更强，但它对OH中间体结合过强，导致H2O脱附困难，成为反应限速步骤。相比之下，Pt-N4Cl2结构对O2吸附更稳定，同时能降低OH脱附能垒，使整个O2 → *OOH → *O → *OH → H2O反应路径更加顺畅。PDOS结果进一步说明，Pt 5d轨道与Cl 2p轨道之间存在明显杂化，使Pt的d带中心下移，从而削弱关键中间体的过强吸附，提高催化循环效率。
Figure 4. 基于DFT计算的氧化酶样活性增强机制。（a）Pt-N4Cl2和Pt纳米颗粒模型的俯视与侧视结构；（b）催化剂向吸附O2的电子转移；（c）O2吸附能；（d）氧化酶样反应路径的吉布斯自由能变化；（e）Pt-d、N-p和Cl-p轨道的态密度分析。
Figure 5展示了该材料在cTnI检测中的实际应用。mFeSiO2@PtSAN首先与单克隆抗体偶联，用于捕获cTnI并进行磁分离富集，随后在试纸条上形成夹心免疫复合物。加入TMB后，T线处的mFeSiO2@PtSAN催化TMB氧化，产生蓝色显色信号。与未放大的直接读数相比，TMB催化放大将肉眼检测限从0.2 ng/mL降低至0.01 ng/mL。定量分析显示，该方法线性范围为0.01-50 ng/mL，检出限为3.3 pg/mL。临床样本检测结果与CLIA方法具有较好相关性，R2=0.98，说明该平台具有一定临床检测潜力。
Figure 5. mFeSiO2@PtSAN免疫层析平台用于cTnI检测。（a）检测平台示意图，mAb为单克隆抗体，PcAb为多克隆抗体；（b）mFeSiO2@PtSAN探针催化放大前后的免疫层析显色结果；（c）FeSiO2@PtNPs探针的显色结果；（d）19份真实临床样本在催化放大前后的检测结果；（e）mFeSiO2@PtSAN-ICB与CLIA检测cTnI结果的相关性分析。
Figure 6将免疫层析检测进一步推进到智能化读数。作者构建了基于卷积神经网络（CNN）的图像分类模型，用于自动识别试纸条颜色强度并判断cTnI浓度区间。训练数据包含500张cTnI试纸条图像，分为5个浓度区间。模型训练后测试准确率达到97%。进一步用于19份临床样本时，模型正确分类18份，准确率为94.7%。这说明AI图像识别可以减少人工读数误差，使免疫层析检测更标准化，更适合未来POCT应用。
Figure 6. 深度学习算法辅助cTnI检测。（a）基于CNN的图像分类流程；（b）CNN模型训练过程中的准确率和损失变化；（c）验证结果的混淆矩阵；（d）CNN模型对19份临床样本的分析结果。
这篇文章不只是制备了一个高活性的单原子纳米酶，而是把材料结构设计和实际POCT检测需求结合得比较完整。材料层面，作者通过双空间限域策略解决了磁性单原子纳米酶合成中的两个难点：既要保持Fe3O4磁性，又要避免Pt在还原过程中团聚。机制层面，Pt-N4Cl2配位结构通过调控Pt电子结构，降低关键中间体脱附能垒，从而增强氧化酶样催化活性。应用层面，该材料兼具磁分离、催化显色放大和免疫识别功能，用于cTnI免疫层析检测时显著提高了灵敏度；再结合CNN图像识别，实现了从“肉眼读数”到“智能判读”的升级。
https://doi.org/10.1002/adfm.75238
