一、成果简介
鉴于在面向行业的智能传感器及系统和传感器研发支撑平台发展的迫切需求，发展高性能生物传感器可以实现对一系列目标物的灵敏检测，因而在食品安全，疾病诊断和环境保护等领域展现出广阔的应用前景。针对现有生物小分子，病原体，生物标志物，细胞等生化物质检测灵敏度低等关键性问题，实验室胡六永博士突破了纳米尺度催化材料的研究思路并发展了新型原子尺度材料，尤其是单原子催化剂，结合其优异的催化活性，实现了电化学发光生物传感的催化信号放大。在原子尺度材料调控，探索了原子尺度效应增敏机制和信号转换机制，研究了原子尺度材料界面与被测生化分子间作用的传感机理，在电化学发光领域取得了重要进展，为构建高灵敏的生物传感器提供了新的解决方案，有力地推动了纳米生物传感的快速发展。
二、技术创新
创新一：单原子催化剂增强电化学发光传感
介绍：电化学发光（ECL）技术因为具有简单高效、背景干扰低、灵敏度高等特点，在生物分析、临床诊断、药物分析与环境检测等领域有着广泛的应用。其中，基于鲁米诺-H2O2的电化学发光体系研究较多，然而共反应物H2O2的稳定性较差且室温下易发生分解，对定量分析带来较大的干扰。相对H2O2而言，体系中的溶解O2作为内源性的共反应物具有稳定性高和低毒等优势，逐渐成为了新的研究热点。如何提高共反应物O2转化为活性氧物质的效率，最终实现鲁米诺电化学发光强度的提升，是一个具有挑战性的课题。实验室胡六永博士等在研究中发现，由于单原子铁催化剂（Fe-N-C SACs）独特的电子结构和催化活性，可以有效地促进鲁米诺阴离子自由基与氧气反应产生大量的活性氧物质，从而显著放大鲁米诺发光信号。基于上述现象，申请人成功设计了一种用于抗氧化能力测试的鲁米诺-O2电化学发光传感器，在0.8 μm-1.0 mM的Trolox浓度范围内呈现出良好的线性关系。相关研究成果发表在顶级期刊Angewandte Chemie（Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,3534-3538；通讯作者）上，入选ESI高被引论文，首次实现了单原子催化剂在电化学发光领域的应用，为高灵敏电化学发光传感平台的构建提供了新思路，并被“纳米人”微信公众号推送和重点报道。自发表以来，清华大学李亚栋院士（Chem.Rev.,2020,120，11900-11955）、长春应化所汪尔康院士（Anal.Chem.,2020,92,10108-10113）、南京大学雷建平教授（Angew.Chem. Int. Ed.,2020,132, 10532-10536）、北京化学所毛兰群研究员（Nat. Commun.,2020,11,3188）等科研人员先后对该工作进行了重点评述和积极评价。
在上述工作基础上，申请人进一步合理调控单原子催化剂活性中心的配位结构，合成了两种以Ni-N4和Ni-N2O2为活性中心的碳负载单原子镍催化剂。通过调控金属活性中心的配位环境，实现了单原子镍催化剂对氧气还原中间产物的选择性，为甄别主要的活性氧中间体以及探索ECL机理提供了广阔的前景。最终，实验和理论结果表明，Ni-N4为活性中心的镍单原子催化剂主要以4电子的方式活化氧气并表现出更为优异的ECL性能，同时超氧阴离子自由基是该体系最为主要的活性氧中间体。该工作为高性能共反应物催化剂的设计提供了新思路，相关研究成果发表在国际高水平期刊Analytical Chemistry（Anal. Chem.2021, 93, 8663-8670；通讯作者）。
由于申请人在电化学发光共反应物催化剂等方面的创新性研究工作，受国际高水平期刊Chemical Communications主编的邀请，撰写了题为“Recent Advances in Co-Reaction Accelerators for SensitiveElectrochemiluminescence Analysis”的综述文章，详细介绍了共反应物催化剂的催化机理、研究现状，同时对催化剂的合理设计进行了展望（Chem. Commun.2020, 56,10989-10999；第一作者）。
图1：Fe-N-C单原子催化剂增强ECL及反应机理示意图（Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 3534−3538）。
三、应用示范
人民健康是民族昌盛和国家富强的重要标志,“十三五”规划中将建设“健康中国”上升为国家战略。国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》中指出，到2020年，健康服务业总规模将超过8万亿元人民币，到2030年达到16万亿元人民币。大健康产业无疑将成为未来中国发展的趋势性朝阳产业。在一系列大健康产业中，食品安全、环境监测、疾病早期诊断等都离不开高灵敏的分析传感手段。近年来，纳米技术的快速发展，纳米材料调控的催化信号放大，已被广泛用于构筑生物传感平台，然而纳米材料成分结构的复杂性不利于催化机制的研究。因此，原子尺度下设计催化剂并理解催化的本质具有重大的意义，并能更一步拓展生物传感应用场景。特别的，电化学发光技术已经在临床诊断、环境检测等领域实现了商业化应用。高性能助催化剂的开发有望进一步实现电化学发光信号放大，同时与毛细管电泳、高效液相色谱、微流控芯片等技术联用后，将为复杂样品的分离分析及多组分的同时检测提供一种灵敏高效的分析手段。
围绕纳米生物传感信号放大这一科学问题，胡六永博士在SCI刊物上发表第一作者或通讯作者论文16篇（包括Angew.Chem. Int. Ed.1篇、Nano Lett.1篇、Appl. Catal. B-Environ.2篇、Anal. Chem.3篇、Chem. Commun. 2篇、Sens.Actuators B-Chem.等），其中ESI高被引论文1篇，申报专利1项。荣获2021年中国分析测试协会科学技术二等奖。获批国家自然科学青年基金1项，湖北省自然科学基金1项。
