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英文标题：Dual-Space Confined Magnetic Single-Atom Nanozyme for Intelligent Point-of-Care Diagnostics
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.75238
成果简介
急性冠脉综合征（ACS) 为致死率高的心血管疾病，心肌肌钙蛋白I（cTnI）是其诊断金标准，但发病早期血液中cTnI浓度极低，传统免疫层析试纸条灵敏度不足，难以满足黄金救治窗口内的早期筛查需求。与此同时，单原子纳米酶虽具备高催化活性与百分之百原子利用率，其传统高温热解制备过程却会不可逆破坏Fe₃O₄磁性，限制了磁性单原子纳米酶的构建与应用。
本研究旨在解决上述关键问题，采用双空间限域策略结合低温光化学还原，设计并合成兼具超顺磁性与高类氧化酶活性的mFeSiO₂@PtSAN单原子纳米酶，实现Pt原子高载量分散与Pt-N₄Cl₂精准配位。研究目的在于构建磁分离-催化放大一体化传感平台，实现心肌肌钙蛋白I（cTnl) 的超灵敏检测，并结合卷积神经网络实现智能判读，最终建立一套高灵敏、高可靠、智能化的即时诊断新方法，为单原子纳米酶的设计与临床快速检测应用提供新思路。
研究亮点
合成方法创新：提出了低温光化学还原与双空间限域策略，突破传统高温热解破坏磁性的瓶颈，实现了高载量原子级分散磁性单原子纳米酶的温和制备。
结构与机理创新：借助同步辐射XAFS明确解析出独特的Pt–N₄Cl₂六配位活性中心构型。结合DFT计算，从d带中心下移角度阐明Pt–N₄Cl₂构型削弱*OH结合、降低能垒、增强OXD活性的分子机制。
应用集成创新：将磁分离富集、单原子催化放大与CNN深度学习图像识别三者有机整合，cTnI定量检出限低至3.3 pg/mL（灵敏度提升26.9倍），且集成深度学习模型后，对19例临床样本的盲测准确率达94.7%。
图文解析
图1. mFeSiO₂@PtSAN的表征。 (a) 合成示意图。 (b–e) 核-Fe、mFeSiO₂、mFeSiO₂-NH₂和mFeSiO₂@PtSAN的TEM图像。 (f) AC-HAADF-STEM图像，橙圈标出Pt单原子。 (g) EDS元素分布。 (h) FeSiO₂@PtNPs的TEM图像。 (i) 无氨基修饰对照样的TEM图像。 (j) XRD谱图。
图2. mFeSiO₂@PtSAN的原子结构分析。 (a,b) XPS全谱对比。 (c–e) 高分辨Pt 4f、N 1s、Cl 2p谱。 (f) Pt L₃-edge XANES谱。 (g) k²加权FT-EXAFS谱。 (h) R空间拟合曲线。 (i) WT-EXAFS等高线图。
图3. mFeSiO₂@PtSAN的催化性能。 (a) TMB催化氧化示意。 (b) 不同体系的UV-vis吸收光谱。 (c,d) 浓度梯度光谱及标准曲线。 (e) •OH的ESR谱。 (f,g) 初始速率随TMB浓度变化及Lineweaver-Burk图。 (h) 催化参数对比。 (i) 与其他文献动力学参数对比。
图4. 增强OXD活性的DFT机理研究。 (a) Pt–N₄Cl₂与Pt NPs模型结构。 (b,c) O₂吸附电子转移量及吸附能对比。 (d) OXD路径吉布斯自由能曲线。 (e) Pt-d、N-p、Cl-p轨道的PDOS分析。
图5. mFeSiO₂@PtSAN基免疫层析检测cTnI。 (a) ICB平台示意图。 (b,c) 催化放大前后的比色响应对比。 (d) 临床样本催化放大前后检测结果。 (e) 与CLIA方法的相关性分析。
图6. 深度学习辅助cTnI检测。 (a) CNN图像分类流程。 (b) 训练准确率与损失曲线。 (c) 验证结果混淆矩阵。 (d) 19例临床样本的CNN分类结果。
研究结论
本研究针对急性心肌梗死早期诊断中传统免疫层析灵敏度不足的瓶颈，提出一种双空间限域策略，通过低温还原法在Fe₃O₄@介孔SiO₂载体上构建了磁性铂单原子纳米（mFeSiO₂@PtSAN）。该材料兼具超顺磁性与独特的Pt–N₄Cl₂六配位活性中心，氧化酶活性较传统铂纳米颗粒显著提升。将其用于心肌肌钙蛋白I检测，结合磁分离富集与催化显色放大，肉眼检出限达0.01 ng/mL，定量检出限低至3.3 pg/mL，灵敏度提高26.9倍。进一步集成卷积神经网络图像识别系统，临床样本盲测准确率达94.7%，为高灵敏、智能化即时诊断提供了新范式。
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