电化学发光（ECL），又称电致化学发光，是指发光体经过氧化还原过程产生激发态物质，这些激发态物质在弛豫到低能态时以光的形式释放能量。ECL无需引入外部光源，可有效地避免背景光源的干扰，提高信噪比从而提高检测灵敏度，并且具有良好的可控性和再现性，是生物传感领域的重要检测手段。近年来，单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其独特的原子级分散特性在催化领域崭露头角。SACs将金属活性中心以原子级分散的形式锚定在载体上，具有接近100%的原子利用率、明确的活性位点以及可调控的电子结构等优势，在催化效率上相比传统纳米催化剂具有显著提升。特别值得注意的是，SACs可以模拟天然酶的活性中心，在生物传感中展现出优异的催化选择性和温和条件适应性。然而，传统的ECL系统在实际应用中仍面临诸多挑战：阴极ECL信号强度不足限制了检测灵敏度；活性氧（ROS）生成效率低下导致信号放大效果有限；狭窄的电位窗口使多组分同时检测难以实现。特别是在生理中性条件下，常规鲁米诺-过氧化氢ECL体系的性能往往显著下降，严重制约了其在活体检测中的应用。

针对上述问题，我校数理学院硕士生应伊然在数理学院吴静教授的指导下，利用通过锚定单原子钴（Co）于石墨相氮化碳（g-C₃N₄）并与二硫化钼（MoS₂）耦合，制备了MoS₂/Co-C₃N₄复合材料。并将其用作鲁米诺-过氧化氢ECL共反应促进剂。其中S-Co-N键的形成提供了高效电子传输通道，显著增强了中性介质中鲁米诺-H₂O₂体系的ECL发射。该材料在-1.0 V和0.48 V下分别进行H₂O₂活化与鲁米诺氧化，实现双电位发光。密度泛函理论（DFT）计算表明，Co单原子位点通过促进*OOH中间体的吸附与O-O键断裂，高效生成ROS，从而驱动ECL信号放大。基于此材料构建的ECL传感器对H₂O₂的检测限低至0.0478 nM，线性范围为1-500 nM；在活体HepG2细胞检测中，检测限达0.8个细胞，为癌症标志物分析提供了新工具。主要创新点如下：

1.    首次将单原子催化剂（Co- C₃N₄SACs）与二维半导体（MoS₂）复合并实现单一材料平台上的双电位ECL。

2.    通过X射线吸收精细结构谱表征了Co单原子的配位环境。并通过原位傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和密度泛函理论（DFT）计算阐明复合材料促进H？O？活化生成ROS（·OH/O？^-）的原子级机制。

3.    应用检测活人肝癌细胞（HepG2），检测限达0.8个细胞。    

图1. MoS₂/Co- C₃N₄的合成路线

图2. MoS₂/Co- C₃N₄的X射线吸收精细结构谱

图3. MoS₂/Co- C₃N₄的ECL性能

图4. MoS₂/Co- C₃N₄的DFT计算

图5. MoS₂/Co- C₃N₄的原位FT-IR和EPR光谱

图6. MoS₂/Co- C₃N₄应用于癌细胞内H₂O₂的检测

上述研究成果发表于化学领域国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上: Yiran Ying^#, Tianyou Chen^#, Arzugul Ablimit, Chan Zhang, Bing Sun, Jing Wu*,a and Wu Liu*, Single-atom catalysts integrated with semiconductors for constructing a dual-potential electrochemiluminescence sensor for intracellular H₂O₂ detection, Journal of Materials Chemistry A, 2025, DOI: 10.1039/d5ta04004c. [IF2024=9.5]

全文链接： https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/TA/D5TA04004C