Biomedical Applications of Single-atom Catalysts

doi:10.7503/cjcu20200388

Abstract

Abstract:

Single-atom catalysts（SACs）， which have 100% atomic utilization and fully exposed atomic metal active sites， show distinct advantages in catalytic activity and selectivity， thus have been widely applied in the fields of chemistry， energy， environment and so on. Since the concept of SACs was proposed， the studies about different monometallic atoms loaded on various supporting materials were reported continuously. As the research of nanozyme has attracted increasing attention， SACs were also explored for their enzyme-like activities. Therefore， SACs attract extensive attention in the biomedical domain in recent years， among that， ancho- ring monatomic metals on nitrogen-doped carbon materials by pyrolysis were the most widespread studied. The M-N_x-C site formed after pyrolysis is similar to the M-N_x site of natural metal enzymes， which endows the materials superior enzyme-like activity. Importantly， compared with natural enzymes and nanozymes， SACs own the advantages of simpler synthesis steps， controllable active center and morphology， adjustable coordination environment， better catalytic activity， lower cost， easier commercial application and more convenience to invest relative catalytic reaction mechanism. It is worth mentioning that， metal atoms with enzyme-like activity（such as Au， Pt， Pd） dispersed on supporting materials（like carbon points， metal oxides， 2D material） can also obtain higher enzyme-like activity than nanoparticles or supporting materials themselves. In short， the excellent enzyme-like activity is mainly due to the maximum exposure of monodisperse metal atoms in the biocatalysis reaction. Meantime， the strong interaction between these metal atoms and the supporting materials makes the whole system more stable to achieve long-term catalysis. This paper reviews the application and research progress of SACs in the fields of tumor therapy， antibacterial， antioxidation and biosensor， and some examples will be introduced in detail， including material preparation method， enzyme-like activity， catalytic mechanism and practical application effect. At the end of the review， we briefly summarize the challenges and opportunities about the future application of SACs， so as to provide strategies for the rational design of SACs with multiple properties.

Key words: Single-atom catalyst, Tumor therapy, Antibacterial, Antioxidant, Biosensor

CLC Number:

O614

TrendMD:

YUAN Zhongwen, HE Lizhen, CHEN Tianfeng. Biomedical Applications of Single-atom Catalysts[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2690.

Figures/Tables 16

References 81

1	Mitchell S.， Thomas J. M.， Pérez⁃Ramírez J.， Catal. Sci. Technol.， 2017， 7， 4248―4249
2	Jiao L.， Yan H.， Wu Y.， Gu W.， Zhu C.， Du D.， Lin Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 2565―2576
3	Qiao B.， Wang A.， Yang X.， Allard L. F.， Jiang Z.， Cui Y.， Liu J.， Li J.， Zhang T.， Nat. Chem.， 2011， 3， 634―641
4	Fako E.， Łodziana Z.， López N.， Catal. Sci. Technol.， 2017， 7， 4285―4293
5	Xu B.， Wang H.， Wang W.， Gao L.， Li S.， Pan X.， Wang H.， Yang H.， Meng X.， Wu Q.， Zheng L.， Chen S.， Shi X.， Fan K.， Yan X.， Liu H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 4911―4916
6	Huang L.， Chen J.， Gan L.， Wang J.， Dong S.， Sci. Adv.， 2019， 5， eaav5490
7	Zhao C.， Xiong C.， Liu X.， Qiao M.， Li Z.， Yuan T.， Wang J.， Qu Y.， Wang X.， Zhou F.， Xu Q.， Wang S.， Chen M.， Wang W.， Li Y.， Yao T.， Wu Y.， Li Y.， Chem. Commun.（Camb）， 2019， 552285―2288
8	Ma W.， Mao J.， Yang X.， Pan C.， Chen W.， Wang M.， Yu P.， Mao L.， Li Y.， Chem. Commun.， 2019， 55， 159―162
9	Xiang H.， Feng W.， Chen Y.， Adv. Mater.， 2020， 32， e1905994
10	Gao L.， Zhuang J.， Nie L.， Zhang J.， Zhang Y.， Gu N.， Wang T.， Feng J.， Yang D.， Perrett S.， Yan X.， Nat. Nanotechnol.， 2007， 2， 577―583
11	Wei H.， Wang E.， Chem. Soc. Rev.， 2013， 42， 6060―6093
12	Huang Y.， Ren J.， Qu X.， Chem. Rev.， 2019， 119， 4357―4412
13	Wu J.， Wang X.， Wang Q.， Lou Z.， Li S.， Zhu Y.， Qin L.， Wei H.， Chem. Soc. Rev.， 2019， 48， 1004―1076
14	Zhang H.， Lu X. F.， Wu Z. P.， Lou X. W. D.， ACS Central. Sci.， 2020
15	Liu F.， Qi X. J.， Li Y. W.， Xue M.， Wang Y. Q.， Zhao C. C.， Acta Petrol. Sin. ： Pet. Process. Section， 2020， 36， 428―438（刘芳，齐学进，李雨薇，薛明，王永强，赵朝成. 石油学报：石油加工， 2020， 36， 428―438）
16	Peng Y.， Lu B.， Chen S.， Adv. Mater.， 2018， 30， e1801995
17	Zhang B.， Fan T.， Xie N.， Nie G.， Zhang H.， Adv. Sci. （Weinh）， 2019， 6， 1901787
18	Zhao S.， Chen G.， Zhou G.， Yin L. C.， Veder J. P.， Johannessen B.， Saunders M.， Yang S. Z.， de Marco R.， Liu C.， Jiang S. P.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 30， 1906157
19	Liu P.， Zhao Y.， Qin R.， Mo S.， Chen G.， Gu L.， Chevrier D. M.， Zhang P.， Guo Q.， Zang D.， Wu B.， Fu G.， Zheng N.， Science， 2016， 352， 797―801
20	Nie L.， Mei D.， Xiong H.， Peng B.， Ren Z.， Hernandez X. I. P.， deLaRiva A.， Wang M.， Engelhard M. H.， Kovarik L.， Datye A. K.， Wang Y.， Science， 2017， 358， 1419―1423
21	Li X.， Yang X.， Huang Y.， Zhang T.， Liu B.， Adv. Mater.， 2019， 31， e1902031
22	Xiao M.， Gao L.， Wang Y.， Wang X.， Zhu J.， Jin Z.， Liu C.， Chen H.， Li G.， Ge J.， He Q.， Wu Z.， Chen Z.， Xing W.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 19800―19806
23	Chen P.， Zhou T.， Xing L.， Xu K.， Tong Y.， Xie H.， Zhang L.， Yan W.， Chu W.， Wu C.， Xie Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56， 610―614
24	Han A.， Chen W.， Zhang S.， Zhang M.， Han Y.， Zhang J.， Ji S.， Zheng L.， Wang Y.， Gu L.， Chen C.， Peng Q.， Wang D.， Li Y.， Adv. Mater.， 2018， 30， e1706508
25	Li X.， Bi W.， Chen M.， Sun Y.， Ju H.， Yan W.， Zhu J.， Wu X.， Chu W.， Wu C.， Xie Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 14889―14892
26	Zhang H.， Wei J.， Dong J.， Liu G.， Shi L.， An P.， Zhao G.， Kong J.， Wang X.， Meng X.， Zhang J.， Ye J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55， 14310―14314
27	Wang X.， Chen W.， Zhang L.， Yao T.， Liu W.， Lin Y.， Ju H.， Dong J.， Zheng L.， Yan W.， Zheng X.， Li Z.， Wang X.， Yang J.， He D.， Wang Y.， Deng Z.， Wu Y.， Li Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 9419―9422
28	Qi J. L.， Xu Q. Q.， Sun J. F.， Zhou D.， Yin J. Z.， Process. Chem.， 2020， 32， 505―518（祁建磊，徐琴琴，孙剑飞，周丹，银建中. 化学进展， 2020， 32， 505―518）
29	Jin Y. Y.， Hao P. P.， Ren J.， Li Z.， ProcessChem.， 2015， 27， 1689―1704（靳永勇，郝盼盼，任军，李忠. 化学进展， 2015， 27， 1689―1704）
30	Wang D.， Wu H.， Phua S. Z. F.， Yang G.， Qi L. W.， Gu L.， Qian C.， Wang H.， Guo Z.， Chen H.， Zhao Y.， Nat. Commun.， 2020， 11， 357
31	Huo M.， Wang L.， Wang Y.， Chen Y.， Shi J.， ACS Nano， 2019， 13， 2643―2653
32	Wang L.， Qu X.， Zhao Y.， Weng Y.， Waterhouse G. I. N.， Yan H.， Guan S.， Zhou S.， Biosens. Bioelectron.， 2019， 11， 35228―35237
33	Gong N.， Ma X.， Ye X.， Zhou Q.， Chen X.， Tan X.， Yao S.， Huo S.， Zhang T.， Chen S.， Teng X.， Hu X.， Yu J.， Gan Y.， Jiang H.， Li J.， Liang X. J.， Nat. Nanotechnol.， 2019， 14， 379―387
34	Huo M.， Wang L.， Zhang H.， Zhang L.， Chen Y.， Shi J.， Small， 2019， 15， e1901834
35	Lu M.， Wang C.， Ding Y.， Peng M.， Zhang W.， Li K.， Wei W.， Lin Y.， Chem. Commun. （Camb）， 2019， 55， 14534―14537
36	Cao F.， Zhang L.， You Y.， Zheng L.， Ren J.， Qu X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 5108―5115
37	Yan R.， Sun S.， Yang J.， Long W.， Wang J.， Mu X.， Li Q.， Hao W.， Zhang S.， Liu H.， Gao Y.， Ouyang L.， Chen J.， Liu S.， Zhang X. D.， Ming D.， ACS Nano， 2019， 13， 11552―11560
38	Niu X.， Shi Q.， Zhu W.， Liu D.， Tian H.， Fu S.， Cheng N.， Li S.， Smith J. N.， Du D.， Lin Y.， Biosens. Bioelectron.， 2019， 142， 111495
39	Chen Q.， Li S.， Liu Y.， Zhang X.， Tang Y.， Chai H.， Huang Y.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2020， 305， 127511
40	Jiao L.， Xu W.， Yan H.， Wu Y.， Liu C.， Du D.， Lin Y.， Zhu C.， Anal. Chem.， 2019， 91， 11994―11999
41	Cheng N.， Li J. C.， Liu D.， Lin Y.， Du D.， Small， 2019， 15， e1901485
42	Kim M. S.， Lee J.， Kim H. S.， Cho A.， Shim K. H.， Le T. N.， An S. S. A.， Han J. W.， Kim M. I.， Lee J.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 30， 1905410
43	Chen M.， Zhou H.， Liu X.， Yuan T.， Wang W.， Zhao C.， Zhao Y.， Zhou F.， Wang X.， Xue Z.， Yao T.， Xiong C.， Wu Y.， Small， 2020， e2002343
44	Bray F.， Ferlay J.， Soerjomataram I.， Siegel R. L.， Torre L. A.， Jemal A.， CA Cancer J. Clin.， 2018， 68， 394―424
45	Yu H. Y.， Tang C. H.， Song W. T.， Deng M. X.， Chen X. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（5）， 903―916（于海洋，汤朝晖，宋万通，邓明虓，陈学思. 高等学校化学学报， 2014， 35（5）， 903―916）
46	Shields C. W. T.， Wang L. L.， Evans M. A.， Mitragotri S.， Adv. Mater.， 2020， 32， e1901633
47	Marshall H. T.， Djamgoz M. B. A.， Front. Oncol.， 2018， 8， 315
48	Huang X. C.， Deng J. S.， Chen T. F.， Zhang Y. B.， Luo Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2012， 33（5）， 976―982（黄晓纯，郑军生，陈填烽，张逸波，罗懿，郑文杰. 高等学校化学学报， 2012， 33（5）， 976―982）
49	Lin H.， Chen Y.， Shi J.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47， 1938―1958
50	Yang B.， Chen Y.， Shi J.， Adv. Mater.， 2019， 31， e1901778
51	Wang X. L.， Wang Z. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（10）， 2185―2191（王雪丽，王振新. 高等学校化学学报， 2018， 39（10）， 2185―2191）
52	He J.， Liu W. H.， He L. M.， Chen L. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2013， 34（10）， 2308―2312（何洁，刘文洪，何利民，陈丽园. 高等学校化学学报， 2013， 34（10）， 2308―2312）
53	Luo Z.， Zhu H.， Lin X. F.， Hong Y.， Xiao S. W.， Zhang Q.， Chu T. W.， Yang Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2015， 36（1）， 87―92（罗政，朱华，林新峰，洪业，肖绍文，张强，褚泰伟，杨志. 高等学校化学学报， 2015， 36（1）， 87―92）
54	Wang L.， Huo M.， Chen Y.， Shi J.， Adv. Healthc. Mater.， 2018， 7， e1701156
55	Willems P. H.， Rossignol R.， Dieteren C. E.， Murphy M. P.， Koopman W. J.， Cell Metab.， 2015， 22， 207―218
56	Weinberg S. E.， Chandel N. S.， Nat. Chem. Biol.， 2015， 11， 9―15
57	Hu X.， Xu Z.， Hu J.， Dong C.， Lu Y.， Wu X.， Wumaier M.， Yao T.， Shi S.， Inorg. Chem. Front.， 2019， 6， 2865―2872
58	Guan B.， Yan R.， Li R.， Zhang X.， Int. J. Nanomed.， 2018， 13， 7473―7490
59	He L.， Nie T.， Xia X.， Liu T.， Huang Y.， Wang X.， Chen T.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29， 1901240
60	He L.， Huang G.， Liu H.， Sang C.， Liu X.， Chen T.， Sci. Adv.， 2020， 6， eaay9751
61	Liu T.， Lai L.， Song Z.， Chen T.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26， 7775―7790
62	Huang Y.， He L.， Liu W.， Fan C.， Zheng W.， Wong Y. S.， Chen T.， Biomaterials， 2013， 34， 7106―7116
63	Zheng L.， Li C.， Huang X.， Lin X.， Lin W.， Yang F.， Chen T.， Biomaterials， 2019， 216， 119220
64	Liu H.， Lin W.， He L.， Chen T.， Biomaterials， 2020， 226， 119545
65	Chang Y.， He L.， Li Z.， Zeng L.， Song Z.， Li P.， Chan L.， You Y.， Yu X. F.， Chu P. K.， Chen T.， ACS Nano， 2017， 11， 4848―4858
66	Wang Y.， Chen P.， Zhao G.， Sun K.， Li D.， Wan X.， Zhang J.， Food Chem. Toxicol.， 2015， 85 71―77
67	Levy S. B.， Marshall B.， Nat. Med.， 2004， 10， S122―S129
68	Bagchi D.， Rathnam V. S. S.， Lemmens P.， Banerjee I.， Pal S. K.， ACS Omega， 2018， 3， 10877―10885
69	Yin W.， Yu J.， Lv F.， Yan L.， Zheng L. R.， Gu Z.， Zhao Y.， ACS Nano， 2016， 10， 11000―11011
70	Lin Y.， Ren J.， Qu X.， Acc. Chem. Res.， 2014， 47， 1097―1105
71	Shen X.， Liu W.， Gao X.， Lu Z.， Wu X.， Gao X.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137， 15882―15891
72	Cao R.， Thapa R.， Kim H.， Xu X.， Gyu Kim M.， Li Q.， Park N.， Liu M.， Cho J.， Nat. Commun.， 2013， 4， 2076
73	Liu Y.， Shi J.， Nano Today， 2019， 27， 146―177
74	Andrades M. E.， Morina A.， Spasic S.， Spasojevic I.， Crit. Care.， 2011， 15， 230
75	Singh N.， Savanur M. A.， Srivastava S.， D’Silva P.， Mugesh G.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56， 14267―14271
76	Huang Y.， Liu Z.， Liu C.， Ju E.， Zhang Y.， Ren J.， Qu X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55， 6646―6650
77	Russo M. V.， McGavern D. B.， Science， 2016， 353， 783―785
78	Yang T.， Cui Y. N.， Chen H. Y.， Li W. H.， Acta Chem. Sinica， 2017， 75， 339―350（杨涛，崔亚男，陈怀银，李伟华. 化学学报， 2017， 75， 339―350）
79	Lin S.， Wei H.， Sci. China Life Sci.， 2019， 62， 710―712
80	Li S.， Liu X.， Chai H.， Huang Y.， Trac. Trend. Anal. Chem.， 2018， 105， 391―403
81	Wang J.， Li Z.， Wu Y.， Li Y.， Adv. Mater.， 2018， 30， e1801649

Material	Metal atom	Supporting material	Biological application	Reference
OxgeMCC?r SAEs	Ru	MOF	Tumor therapy	[30]
PSAF NCS	Fe	Amorphous carbon	Tumor therapy	[31]
P?MOF	Fe	Porphyrin?MOF	Tumor therapy	[32]
MitoCAT?g	Au	Carbon dots	Tumor therapy	[33]
SeNCM	Se	Amorphous carbon	―	[7]
PMCS	Zn	Amorphous carbon	Antibacterial	[5]
SAF?NCs	Fe	Amorphous carbon	Antibacterial	[34]
FeN₅ SA/CNF	Fe	Amorphous carbon	Antibacterial	[6]
Fe?SAs/NC	Fe	Amorphous carbon	Antioxidant	[8]
Fe?N/C SACs	Fe	Amorphous carbon	Antioxidant	[35]
Co/PMCS	Co	Amorphous carbon	Antioxidant	[36]
Pt/CeO₂	Pt	Ceria	Antioxidant	[37]
Fe?N?C SAN	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[38]
Fe?N/C	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[39]
Fe?N?C SAzyme	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[40]
CNT/FeNC	Fe	Carbon nanotube	Biosensor	[41]
Fe?N?rGO	Fe	Graphene	Biosensor	[42]
Fe SSN	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[43]

Material	Metal atom	Supporting material	Biological application	Reference
OxgeMCC?r SAEs	Ru	MOF	Tumor therapy	[30]
PSAF NCS	Fe	Amorphous carbon	Tumor therapy	[31]
P?MOF	Fe	Porphyrin?MOF	Tumor therapy	[32]
MitoCAT?g	Au	Carbon dots	Tumor therapy	[33]
SeNCM	Se	Amorphous carbon	―	[7]
PMCS	Zn	Amorphous carbon	Antibacterial	[5]
SAF?NCs	Fe	Amorphous carbon	Antibacterial	[34]
FeN₅ SA/CNF	Fe	Amorphous carbon	Antibacterial	[6]
Fe?SAs/NC	Fe	Amorphous carbon	Antioxidant	[8]
Fe?N/C SACs	Fe	Amorphous carbon	Antioxidant	[35]
Co/PMCS	Co	Amorphous carbon	Antioxidant	[36]
Pt/CeO₂	Pt	Ceria	Antioxidant	[37]
Fe?N?C SAN	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[38]
Fe?N/C	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[39]
Fe?N?C SAzyme	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[40]
CNT/FeNC	Fe	Carbon nanotube	Biosensor	[41]
Fe?N?rGO	Fe	Graphene	Biosensor	[42]
Fe SSN	Fe	Amorphous carbon	Biosensor	[43]

[1]	YANG Jingyi, LI Qinghe, QIAO Botao. Synergistic Catalysis Between Ir Single Atoms and Nanoparticles for N₂O Decomposition [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220388.
[2]	LIN Gaoxin, WANG Jiacheng. Progress and Perspective on Molybdenum Disulfide with Single-atom Doping Toward Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220321.
[3]	REN Shijie, QIAO Sicong, LIU Chongjing, ZHANG Wenhua, SONG Li. Synchrotron Radiation X-Ray Absorption Spectroscopy Research Progress on Platinum Single-atom Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220466.
[4]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[5]	LIN Zhi, PENG Zhiming, HE Weiqing, SHEN Shaohua. Single-atom and Cluster Photocatalysis： Competition and Cooperation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220312.
[6]	TENG Zhenyuan, ZHANG Qitao, SU Chenliang. Charge Separation and Surface Reaction Mechanisms for Polymeric Single-atom Photocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220325.
[7]	CHU Yuyi, LAN Chang, LUO Ergui, LIU Changpeng, GE Junjie, XING Wei. Single-atom Cerium Sites Designed for Durable Oxygen Reduction Reaction Catalyst with Weak Fenton Effect [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220294.
[8]	ZHAO Runyao, JI Guipeng, LIU Zhimin. Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction over Pyrrole Nitrogen-coordinated Single-atom Copper Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220272.
[9]	WANG Junyang, LIU Zheng, ZHANG Qian, SUN Chunyan, LI Hongxia. Application of DNA Silver Nanoclusters in the Fluorescence Biosensors based on Functional Nucleic Acids [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220010.
[10]	ZHUANG Jiahao, WANG Dingsheng. Current Advances and Future Challenges of Single-atom Catalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220043.
[11]	ZHANG Hongwei, CHEN Wen, ZHAO Meiqi, MA Chao, HAN Yunhu. Research Progress of Single Atom Catalysts in Electrochemistry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220129.
[12]	YIN Xiaoju, SUN Xun, ZHAO Chenghao, JIANG Bo, ZHAO Chenyang, ZHANG Naiqing. Research Progress of Single Atomic Catalysts in Lithium-sulfur Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220076.
[13]	WU Jun, HE Guanchao, FEI Huilong. Self-supported Film Electrodes Decorated with Single Atoms for Energy Electrocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220051.
[14]	YAN Shuting, YAO Yuan, TAO Xinfeng, LIN Shaoliang. Synthesis and Properties of Polypeptoid Hydrogels Containing Sulfonium Groups [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220381.
[15]	HUANG Luoyi, WENG Yueyue, HUANG Xuhui, WANG Chaojie. Theoretical Study on the Structures and Properties of Flavonoids in Plantain [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2752.