Fe–N 3 S Single-Atom Nanozyme with Asymmetric Coordination for Ultra-Low-Background Colorimetric Immunoassays

化学 检出限 催化作用 纳米材料基催化剂 显色的 比色法 组合化学 配体(生物化学) 分析物 纳米技术 过氧化物酶 密度泛函理论 基质(水族馆) 金属
作者
Zhichao Yu,Mingdi Xu,Man Xu,Jiayu Gu,Hong Xue,Dianping Tang
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (2): 1783-1792 被引量:114
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c07715
摘要

Although nanocatalysts have advanced highly sensitive immunoassays for low-abundance proteins, the nonspecific catalytic reactions cause high background signals and notable false-positive issues, hindering their further application. Herein, through an asymmetric coordination field modulation strategy, we rationally designed and synthesized an Fe–N 3 S single-atom nanozyme with a unique peroxidase (POD) catalytic pathway. Specifically, the Fe–N 3 S nanozyme exhibited high POD-like activity (26.82 U mg –1 ) and low oxidase (OXD)-like activity (0.018 U mg –1 ), whereas Fe–N 4 nanozymes showed the opposite trend (7.68 U mg –1 for POD-like, 0.19 U mg –1 for OXD-like). Density functional theory (DFT) calculations revealed that the introduction of sulfur disrupts the symmetric octahedral crystal field of Fe–N 4, resulting in specific repulsion toward the key intermediate OH* species. This was consequently manifested as a reduction in the energy barrier at the rate-determining step along the POD pathway. A low-background, highly specific immunochromatographic sensor for cluster of differentiation 40 ligand (CD40L) detection was developed based on a cascade catalytic reaction involving nanozymes and native enzymes. Immunosensors employing the Fe–N 3 S nanozyme as chromogenic probes exhibited a lower limit of detection (0.69 pg mL –1 ) and a satisfactory dynamic response range (0.001–1000 ng mL –1 ), accompanied by good specificity and stability. This work opens new avenues for developing portable colorimetric immunosensing methods with low background interference.
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