传统纳米催化剂（如金属纳米颗粒）因金属原子利用率低、结构缺陷及金属离子释放导致的细胞毒性，限制了其生物医学应用。单金属原子催化剂（SACs）通过将活性金属稳定在载体上形成原子级分散位点，最大化原子利用率和催化选择性。其催化性能取决于金属中心与载体的配位结构（如对称Cu–N₄或不对称Cu–SN₃）。在肿瘤治疗中，SACs可靶向TME中高浓度H₂O₂，通过类过氧化物酶（POD）反应生成ROS破坏肿瘤细胞氧化稳态。然而，SACs的高温热解易导致聚集，需通过超声分散和蛋白质功能化提升生物相容性。
针对以上难题，南洋理工大学赵彦利教授团队描述了一种基于氮掺杂碳载体（N-C）的单金属原子催化剂（SACs）的设计、制备与功能化方法。SACs通过热解沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）或聚多巴胺衍生材料制备，其性质受金属类型及配位原子数量影响。文中详述了四种SACs的制备流程：从Cu-ZIF-8制备Cu–N₄、Ir@ZIF-8与三聚氰胺复合制备Ir–N₅、三苯基膦@Co-ZIF-8制备Co–PN₃，以及ZnS@Cu-聚多巴胺制备Cu–SN₃。在生物医学应用前，需通过蛋白质（如胆固醇氧化酶和丙酮酸氧化酶）功能化减少聚集和体内蛋白电晕形成。本协议提供了物理化学与功能表征方法，以及在荷瘤小鼠中的实验方案，旨在筛选具有类过氧化物酶活性的纳米催化剂，使其在肿瘤微环境（TME）的过氧化氢富集区域产生活性氧（ROS）。SACs合成需3–4天，功能化需额外1天，基础体外/体内实验需2–3个月。相关研究成果以“Preparation and biomedical applications of single-metal atom catalysts”为题，发表在Nature Protocols上。
赵彦利，新加坡南洋理工大学数理学院以及材料科学和工程学院教授。于南开大学获得本科和理学博士学位，博士导师为刘育教授。随后在美国加州大学洛杉矶分校以及西北大学从事博士后研究，师从2016年诺贝尔化学奖得主Sir Fraser Stoddart教授。主要从事合成化学和材料科学前沿交叉领域的研究，研究兴趣集中于新型自聚集材料的设计、制备以及应用开发。已在Science、Nat. Chem.、Nat.Commun.、JACS、Angew. Chem.和Adv. Mater.等著名期刊发表SCI论文500余篇，h指数109。
图1 SACs的结构和合成过程示意图
图1展示了单金属原子催化剂（SACs）的结构与合成原理。图a阐明SACs因原子级分散特性显著提升表面原子比例和表面自由能，区别于块体材料、纳米颗粒及团簇。图b描述SACs通过类过氧化物酶（POD）催化反应在活性位点分解H₂O₂生成ROS和水的过程。图c概述SACs的制备流程：首先选择金属原子（如Cu、Ir）和载体材料，通过前驱体制备和热解形成单原子位点，最后经超声和表面修饰提升分散性与生物相容性。该图强调SACs的高催化效率源于其独特的原子级活性中心设计。
图2 为SAC的制备和生物医学应用设计的方案框图
图2以框图形式系统呈现SACs的制备与生物医学应用全流程。核心模块包括：金属原子/载体材料选择、基于N-C载体的SACs合成、研磨与超声处理、表面功能化、物理化学表征（形貌、结构、催化活性）及生物表征（细胞内ROS生成、体外疗效、体内抗肿瘤效果）。该设计凸显了从催化剂设计到生物功能验证的逻辑链条，为读者提供标准化操作路径，其中表面功能化与生物表征是衔接材料合成与治疗应用的关键环节。
图3 SACs合成方案
图3展示了基于ZIF-8（a）和聚多巴胺（b）的SACs合成路线。ZIF-8途径以Cu(NO₃)₂·3H₂O、Zn(NO₃)₂·6H₂O和2-甲基咪唑为原料，通过自组装形成金属有机框架前驱体，经热解获得SACs。聚多巴胺途径则利用ZnCl₂、谷胱甘肽和乙二胺合成ZnS纳米颗粒，再包覆多巴胺盐酸盐与CuCl₂形成前驱体，最终热解刻蚀得到Cu–SN₃ SACs。两路径均依赖高温氮气环境实现金属原子在碳载体上的稳定锚定，差异在于前驱体结构与杂原子掺杂策略（如S/P的引入）。
图4 SACs的TEM图像和XRD图谱
图4通过TEM、EDS元素图谱和HAADF-STEM表征四种SACs的形貌与原子分散性。图a-d显示Cu–N₄、Cu–SN₃、Ir–N₅和Co–PN₃ SACs均呈均匀无团聚的纳米结构，EDS图谱证实金属元素（Cu、Ir、Co）在载体中原子级分散。HAADF-STEM图像中亮斑（黄色圆圈标注）为单金属原子位点，无金属团簇特征信号。图e-h的XRD谱图中，所有SACs均在26°和44°出现石墨烯特征宽峰（黄色三角），且无金属晶体衍射峰，印证了载体石墨化及金属原子级分散特性。
图5 Cu–N4 SACs的XAS表征
图5通过X射线吸收谱（XAS）解析Cu–N₄ SACs的配位结构。图a的Cu K-edge XANES谱显示其吸收边位于Cu箔（金属态）与CuO（+2价）之间，表明Cu平均价态接近+1。图b的FT-EXAFS谱中，1.55 Å处主峰对应Cu–N配位，无Cu–Cu键信号（~2.2 Å），证实Cu以单原子形式存在。理论模型（图c）进一步表明Cu与四个N原子形成平面正方形配位。该数据为对称Cu–N₄结构的原子级证据，是其高POD活性的结构基础。
图6 Cu–SN3 SACs的XAS表征
图6表征Cu–SN₃ SACs的局部配位环境。图a的XANES谱显示其价态介于Cu箔与CuS之间。图b的FT-EXAFS谱中，1.55 Å处为Cu–N峰，1.81 Å处肩峰为Cu–S键特征，证实S原子成功掺入配位层。理论模型（图c）展示Cu与三个N原子及一个S原子形成的不对称结构。这种低电负性S原子的引入增强了金属位点电子密度，是其催化活性优于Cu–N₄的关键。
图7 Ir–N5 SACs的XAS表征
图7分析Ir–N₅ SACs的电子结构与配位特征。图a的Ir L₃-edge XANES谱显示其白线强度介于Ir箔与IrO₂之间，表明Ir呈正氧化态。图b的FT-EXAFS谱中，1.98 Å处主峰对应Ir–N配位，无Ir–Ir键信号。理论模型（图c）揭示轴向N配位（Ir–N₅）通过调节几何构型优化电子密度，从而提升氧化还原活性。该不对称设计为高选择性催化提供新策略。
图8 Co–PN3 SACs的XAS表征
图8解析Co–PN₃ SACs的配位结构。图a的Co K-edge XANES谱显示其价态低于Co₃O₄。图b的FT-EXAFS谱中，1.44 Å和1.81 Å处双峰分别对应Co–N与Co–P键，P原子的掺入（原子半径大于N）通过强键能提升位点稳定性。理论模型（图c）证实Co与三个N原子及一个P原子的配位环境。这种杂原子协同效应是增强催化耐久性的核心机制。
图9 SACs的水动力尺寸、Zeta电位和类POD性质
图9展示了功能化SACs的分散性与类酶动力学性质。图a、c表明Cu–SN₃@POx与Co–PN₃@CHO在水、PBS及模拟生理液中流体力学尺寸稳定（
图10 体外和体内抗癌作用
图10评估SACs的体外/体内抗肿瘤效果。图a的CCK-8实验显示Cu–N₄与Cu–SN₃ SACs在常规培养下无显著毒性。图b在模拟TME条件下（pH 6.0, 100 μM H₂O₂），Cu–SN₃ SACs对4T1细胞的抑制率更高。图c的HPF荧光探针证实Cu–SN₃@POx组ROS生成最强（绿色荧光），图d的Calcein AM/PI染色显示其细胞杀伤效果最佳（红色区域）。图e-g的荷瘤小鼠实验中，Cu–SN₃@POx组肿瘤体积最小（p
通过精确调控金属中心与配位环境（如不对称Ir–N₅、Co–PN₃和Cu–SN₃结构），SACs的类酶催化活性显著优于传统纳米催化剂。蛋白质功能化（如POx或CHO修饰）不仅提升了生物相容性，还通过代谢调控（如丙酮酸→H₂O₂转化）增强ROS生成能力。荷瘤小鼠实验证实，Cu–SN₃@POx等协同策略可显著抑制肿瘤生长（p
Liu, Y., Niu, R., Wang, Y. et al. Preparation and biomedical applications of single-metal atom catalysts. Nat Protoc (2025). https://doi.org/10.1038/s41596-025-01199-9
