Recent Progress of Single-atom Materials in Electrochemical Biosensing

doi:10.7503/cjcu20220334

Abstract

Abstract:

Electrochemical sensors have become one of the important development directions for the rapid detection of biosensing on the basis of their fast response， strong specificity and high accuracy， but it is currently difficult to achieve the detection level of single biomolecules， mainly originating from the key probe materials. Single-atom materials featuring their simple and well-defined atomic localized structures have received extensive attention in the field of electrochemical biosensing due to a unified active site rivaling biological enzymes. Herein， the synthesis of single-atom materials with a homogeneous local coordination environment and their applications in electrochemical biosensing are reviewed. Moreover， the challenges and opportunities of single-atom materials in electrochemical biosensing are furtherly outlooked.

Key words: Single-atom material, Local coordination structure, Electrochemical biosensing, Health monitoring

CLC Number:

O646

TrendMD:

JIANG Bowen, CHEN Jingxuan, CHENG Yonghua, SANG Wei, KOU Zongkui. Recent Progress of Single-atom Materials in Electrochemical Biosensing[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220334.

Figures/Tables 12

References 83

1	Paganelli A. I.， Mondéjar A. G.， Silva A. C. D.， Silva⁃Calpa G.， Teixeira M. F.， Carvalho F.， Raposo A.， Endler M.， J. Biomed. Inf.， 2022， 127， 104009
2	Miriam M.， Blish C. A.， Sallusto F.， Iwasaki A.， Science， 2022， 375（6585）， 1122—1127
3	Chan M.， Nat. Med.， 2021， 27（3）， 363
4	Wagner C. E.， Saad⁃Roy C. M.， Grenfell B. T.， Nat. Rev. Immunol.， 2022， 22（3）， 139—141
5	Verhoeven P. O.， Grattard F.， Carricajo A.， Lucht F.， Cazorla C.， Garraud O.， Pozzetto B.， Berthelot P.， J. Clin. Microbiol.， 2012， 50（6）， 2063—2065
6	Wu Z.， Guo W. J.， Bai Y. Y.， Zhang L.， Hu J.， Pang D. W.， Zhang Z. L.， Anal. Chem.， 2018， 90（3）， 1683—1690
7	Kelley S. O.， ACS Sens.， 2017， 2（2）， 193—197
8	Huff H. V.， Clin. Infect. Dis.， 2021， 73（9）， e3053—e3054
9	Inal S.， Nat. Biomed. Eng.， 2022， 6（3）， 223—224
10	Haas P.， Then P.， Wild A.， Grange W.， Zorman S.， Hegner M.， Calame M.， Aebi U.， Flammer J.， Hecht B.， Anal. Chem.， 2010， 82（14）， 6299—6302
11	Xu J.， Chau Y.， Lee Y. K.， Micromachines， 2019， 10（12）， 855
12	Riaz M. A.， Chen Y.， Nanoscale Horiz.， 2022， 7， 463—479
13	Yakoh A.， Pimpitak U.， Rengpipat S.， Hirankarn N.， Chailapakul O.， Chaiyo S.， Biosens. Bioelectron.， 2021， 176， 112912
14	Dincer C.， Bruch R.， Kling A.， Dittrich P. S.， Trends Biotechnol.， 2017， 35（8）， 728—742
15	Jiang J.， Xia J.， Zang Y.， Diao G.， Sensors， 2021， 21（22）， 7742
16	Bueno P. R.， Davis J. J.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（21）， 7505—7515
17	Lei S.， Xu L.， Liu Z.， Zou L.， Li G.， Ye B.， Anal. Chim. Acta， 2019， 1081， 59—64
18	Jiao L.， Yan H.， Wu Y.， Gu W.， Zhu C.， Du D.， Lin Y.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2020， 59（7）， 2565—2576
19	Qiao B.， Wang A.， Yang X.， Allard L. F.， Jiang Z.， Cui Y.， Liu J.， Li J.， Zhang T.， Nat. Chem.， 2011， 3（8）， 634—641
20	Zang W.， Kou Z.， Pennycook S. J.， Wang J.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（9）， 1903181
21	Li P.， Jin Z.， Qian Y.， Fang Z.， Xiao D.， Yu G.， Mater. Today， 2020， 35， 78—86
22	Lu B.， Liu Q.， Chen S.， ACS Catal.， 2020， 10（14）， 7584—7618
23	Echarri A. R.， Cox J. D.， Abajo J. G. D.， Optica， 2019， 6（5）， 630—641
24	Li L.， Chang X.， Lin X.， Zhao Z. J.， Gong J.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（22）， 8156—8178
25	Gawande M. B.， Ariga K.， Yamauchi A. Y.， Small， 2017， 17， 2101584
26	Jiao L.， Xu W.， Wu Y.， Yan H.， Gu W.， Du D.， Lin Y.， Zhu C.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50（2）， 750—765
27	Yang S.， Tak Y. J.， Kim J.， Soon A.， Lee H.， ACS Catal.， 2017， 7（2）， 1301—1307
28	Yin P.， Yao T.， Wu Y.， Zheng L.， Lin Y.， Liu W.， Ju H.， Zhu J.， Hong X.， Deng Z.， Zhou G.， Wei S.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2016， 55（36）， 10800—10805
29	Li J.， Chen M.， Cullen D. A.， Hwang S.， Wang M.， Li B.， Liu K.， Karakalos S.， Lucero M.， Zhang H.， Lei C.， Xu H.， Sterbinsky G. E.， Feng Z.， Su D.， More K. L.， Wang G.， Wang Z.， Wu G.， Nat. Catal.， 2018， 1（12）， 935—945
30	Yang H.， Shang L.， Zhang Q.， Shi R.， Waterhouse G. I. N.， Gu L.， Zhang T.， Nat. Commun.， 2019， 10（1）， 4585
31	Li S.， Chen B.， Wang Y.， Ye M. Y.， Aken P. A. V.， Cheng C.， Thomas A.， Nat. Mater.， 2021， 20（9）， 1240—1247
32	Ahonen M.， Pessa M.， Suntola T.， Thin Solid Films， 1980， 65（3）， 301—307
33	Fonseca J.， Lu J.， ACS Catal.， 2021， 11（12）， 7018—7059
34	Yan H.， Lin Y.， Wu H.， Zhang W.， Sun Z.， Cheng H.， Liu W.， Wang C.， Li J.， Huang X.， Yao T.， Yang J.， Wei S.， Lu J.， Nat. Commun.， 2017， 8（1）， 1070
35	Zhang L.， Si R.， Liu H.， Chen N.， Wang Q.， Adair K.， Wang Z.， Chen J.， Song Z.， Li J.， Banis M. N.， Li R.， Sham T. K.， Gu M.， Liu L. M.， Botton G. A.， Sun X.， Nat. Commun.， 2019， 10（1）， 4936
36	Xu D.， Wang S.， Wu B.， Zhang B.， Qin Y.， Huo C.， Huang L.， Wen X.， Yang Y.， Li Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（33）， 29858—29867
37	Chen C. H.， Wu D.， Li Z.， Zhang R.， Kuai C. G.， Zhao X. R.， Dong C. K.， Qiao S. Z.， Liu H.， Du X. W.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（20）， 1803913
38	Fortea⁃Pérez F. R.， Mon M.， Ferrando⁃Soria J.， Boronat M.， Leyva⁃Pérez A.， Corma A.， Herrera J. M.， Osadchii D.， Gascon J.， Armentano D.， Pardo E.， Nat. Mater.， 2017， 16（7）， 760—766
39	Mon M.， Rivero⁃Crespo M. A.， Ferrando⁃Soria J.， Vidal⁃Moya A.， Boronat M.， Leyva⁃Pérez A.， Corma A.， Hernández⁃Garrido J. C.， López⁃Haro M.， Calvino J. J.， Ragazzon G.， Credi A.， Armentano D.， Pardo E.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（21）， 6186—6191
40	Zhou H.， Zhao Y.， Gan J.， Xu J.， Wang Y.， Lv H.， Fang S.， Wang Z.， Deng Z.， Wang X.， Liu P.， Guo W.， Mao B.， Wang H.， Yao T.， Hong X.， Wei S.， Duan X.， Luo J.， Wu Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（29）， 12643—12650
41	Xiao K.， Lin R. T.， Wei J. X.， Li N.， Li H.， Ma T.， Liu Z. Q.， Nano Res.， 2022， 15（6）， 4980—4985
42	Xia B.， Zhang Y.， Ran J.， Jaroniec M.， Qiao S. Z.， ACS Cent. Sci.， 2021， 7（1）， 39—54
43	Xie X.， Wang D. P.， Guo C.， Liu Y.， Rao Q.， Lou F.， Li Q.， Dong Y.， Li Q.， Yang H. B.， Hu F. X.， Anal. Chem.， 2021， 93（11）， 4916—4923
44	Bushira F. A.， Kitte S. A.， Li H.， Zheng L.， Wang P.， Jin Y.， J. Electroanal. Chem.， 2022， 904， 115956
45	Lei Y.， Butler D.， Lucking M. C.， Zhang F.， Xia T.， Fujisawa K.， Granzier⁃Nakajima T.， Cruz⁃Silva R.， Endo M.， Terrones H.， Terrones M.， Ebrahimi A.， Sci. Adv.， 2020， 6（32）， eabc4250
46	Hou H.， Mao J.， Han Y.， Wu F.， Zhang M.， Wang D.， Mao L.， Li Y.， Sci. China： Chem.， 2019， 62（12）， 1720—1724
47	Xiong C.， Tian L.， Xiao C.， Xue Z.， Zhou F.， Zhou H.， Zhao Y.， Chen M.， Wang Q.， Qu Y.， Hu Y.， Wang W.， Zhang Y.， Zhou X.， Wang Z.， Yin P.， Mao Y.， Yu Z. Q.， Cao Y.， Duan X.， Zheng L.， Wu Y.， Sci. Bull.， 2020， 65（24）， 2100—2106
48	Gu W.， Wang X.， Wen J.， Cao S.， Jiao L.， Wu Y.， Wei X.， Zheng L.， Hu L.， Zhang L.， Zhu C.， Anal. Chem.， 2021， 93（24）， 8663—8670
49	Gu W.， Wang H.， Jiao L.， Chen Y.， Hu L.， Gong J.， Du D.， Zhu C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 132， 3562—3566
50	Huang W.， Hu G. B.， Liang W. B.， Wang J. M.， Lu M. L.， Yuan R.， Xiao D. R.， Anal. Chem.， 2021， 93（15）， 6239—6245
51	Fang Y.， Wang H. M.， Gu Y. X.， Yu L.， Wang A. J.， Yuan P. X.， Feng J. J.， Anal. Chem.， 2020， 92（4）， 3206—3212
52	Xu W.， Kang Y.， Jiao L.， Wu Y.， Yan H.， Li J.， Gu W.， Song W.， Zhu C.， Nano⁃Micro Lett.， 2020， 12（1）， 184
53	Ge X.， Zhou P.， Zhang Q.， Xia Z.， Chen S.， Gao P.， Zhang Z.， Gu L.， Guo S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（1）， 232—236
54	Li B.， Guo L.， Chen M.， Guo Y.， Ge L.， Kwok H. F.， Biosens. Bioelectron.， 2022， 202， 114006
55	Jiang S.， Zhang C.， Zou T.， Nanomaterials， 2020， 10（12）， 2518
56	Wu J.， Wu Y.， Lu L.， Zhang D.， Wang X.， Talanta， 2021， 4， 100075
57	Wang Y.， Liu Y.， Liu W.， Wu J.， Li Q.， Feng Q.， Chen Z.， Xiong X.， Wang D.， Lei Y.， Energy Environ. Sci.， 2020， 13（12）， 4609—4624
58	Cui T.， Wang Y. P.， Ye T.， Wu J.， Chen Z.， Li J.， Lei Y.， Wang D.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（12）， e202115219
59	Bakirhan N. K.， Topal B. D.， Ozcelikay G.， Karadurmus L.， Ozkan S. A.， Crit. Rev. Anal. Chem.， 2022， 52（3）， 519—534
60	Zhu C.， Yang G.， Li H.， Du D.， Lin Y.， Anal. Chem.， 2015， 87（1）， 230—249
61	Tiwari J. N.， Vij V.， Kemp K. C.， Kim K. S.， ACS Nano， 2016， 10（1）， 46—80
62	Zhou W. Y.， Li S. S.， Xiao X. Y.， Chen S. H.， Liu J. H.， Huang X. J.， Chem. Commun.， 2018， 54（67）， 9329—9332
63	Zhuo Y.， Wang H. J.， Lei Y. M.， Zhang P.， Liu J. L.， Chai Y. Q.， Yuan R.， Analyst， 2018， 143（14）， 3230—3248
64	Jin H.， Ye D.， Shen L.， Fu R.， Tang Y.， Jung J. C.， Zhao H.， Zhang J.， Anal. Chem.， 2022， 94（3）， 1499—1509
65	Wang Y.， Tang Y. J.， Zhou K.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（36）， 14115—14119
66	Yebra⁃Biurrun M. C.， Talanta， 2000， 52， 367—383
67	Hu G. B.， Xiong C. Y.， Liang W. B.， Zeng X. S.， Xu H. L.， Yang Y.， Yao L. Y.， Yuan R.， Xiao D. R.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（18）， 15913—15919
68	Chen R.， Zhang J.， Chelora J.， Xiong Y.， Kershaw S. V.， Li K. F.， Lo P. K.， Cheah K. W.， Rogach A. L.， Zapien J. A.， Lee C. S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（7）， 5699—5708
69	Yin H. Q.， Yang J. C.， Yin X. B.， Anal. Chem.， 2017， 89（24）， 13434—13440
70	Wu Y.， Wu J.， Jiao L.， Xu W.， Wang H.， Wei X.， Gu W.， Ren G.， Zhang N.， Zhang Q.， Huang L.， Gu L.， Zhu C.， Anal. Chem.， 2020， 92（4）， 3373—3379
71	Wang Y.， Qi K.， Yu S.， Jia G.， Cheng Z.， Zheng L.， Wu Q.， Bao Q.， Wang Q.， Zhao J.， Cui X.， Zheng W.， Nano⁃Micro Lett.， 2019， 11（1）， 102
72	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， 16（31）， e2002343
73	Zhang X.， Li G.， Chen G.， Wu D.， Zhou X.， Wu Y.， Coord. Chem. Rev.， 2020， 418， 213376
74	Huang L.， Chen J.， Gan L.， Wang J.， Dong S.， Sci. Adv.， 2019， 5（5）， eaav549
75	Wu Y.， Jiao L.， Luo X.， Xu W.， Wei X.， Wang H.， Yan H.， Gu W.， Xu B. Z.， Du D.， Lin Y.， Zhu C.， Small， 2019， 15（43）， e1903108
76	Huo M.， Wang L.， Wang Y.， Chen Y.， Shi J.， ACS Nano， 2019， 13（2）， 2643—2653
77	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.， 2019， 55（16）， 2285—2288
78	Jiao L.， Xu W.， Zhang Y.， Wu Y.， Gu W.， Ge X.， Chen B.， Zhu C.， Guo S.， Nano Today， 2020， 35， 100971
79	Zhao W. W.， Xu J. J.， Chen H. Y.， Anal. Chem.， 2018， 90（1）， 615—627
80	Qiu Z.， Tang D.， J. Mater. Chem. B， 2020， 8（13）， 2541—2561
81	Kaiser S. K.， Chen Z.， Akl D. F.， Mitchell S.， Pérez⁃Ramirez J.， Chem. Rev.， 2020， 120（21）， 11703—11809
82	Shu J.， Tang D.， Anal. Chem.， 2020， 92（1）， 363—377
83	Zhao C. Q.， Ding S. N.， Coord. Chem. Rev.， 2019， 391， 1—14

Detection method	Target	Sample	Limit of detection	Ref.
Electrochemical biosensing	Dopamine（DA）	Ru SAM	20 nmol/L	［ 43］
		Fe SAM	0.007 nmol/L	［ 44］
		Mn SAM	0.05 nmol/L	［ 45］
	Glucose	Co SAM	1.2×10 ⁵ nmol/L	［ 46］
	H₂O₂	Co SAM	100 nmol/L	［ 47］
Electrochemiluminescence biosensing	Ascorbic acid（AA）	Ni SAM	95 nmol/L	［ 48］
	Trolox	Fe SAM	800 nmol/L	［ 49］
	Thrombin（TB）	Ru SAM	0.03 nmol/L	［ 50］
	Thrombin（TB）	Zn SAM	1.0×10 ^-7 nmol/L	［ 51］
Colorimetric biosensing	Acetylcholin esteras（AChE）	Fe SAM	0.2 mU/mL	［ 52］
Photoelectrochemical biosensors	Organophosphorus pesticides（Ops）	Pd SAM	500 nmol/L	［ 53］
Photoelectrochemical biosensors	Prostate specific antigen（PSA）	Pt SAM	6.6×10 ^-6 nmol/L	［ 54］

Detection method	Target	Sample	Limit of detection	Ref.
Electrochemical biosensing	Dopamine（DA）	Ru SAM	20 nmol/L	［ 43］
		Fe SAM	0.007 nmol/L	［ 44］
		Mn SAM	0.05 nmol/L	［ 45］
	Glucose	Co SAM	1.2×10 ⁵ nmol/L	［ 46］
	H₂O₂	Co SAM	100 nmol/L	［ 47］
Electrochemiluminescence biosensing	Ascorbic acid（AA）	Ni SAM	95 nmol/L	［ 48］
	Trolox	Fe SAM	800 nmol/L	［ 49］
	Thrombin（TB）	Ru SAM	0.03 nmol/L	［ 50］
	Thrombin（TB）	Zn SAM	1.0×10 ^-7 nmol/L	［ 51］
Colorimetric biosensing	Acetylcholin esteras（AChE）	Fe SAM	0.2 mU/mL	［ 52］
Photoelectrochemical biosensors	Organophosphorus pesticides（Ops）	Pd SAM	500 nmol/L	［ 53］
Photoelectrochemical biosensors	Prostate specific antigen（PSA）	Pt SAM	6.6×10 ^-6 nmol/L	［ 54］

[1]	SHA Meng, XU Weiqing, WU Zhichao, GU Wenling, ZHU Chengzhou. Recent Advances in Single-atom Materials for Enzyme-like Catalysis and Biomedical Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220077.
[2]	JIANG Jun, GONG Tiantian, ZHANG Chengpeng, LIU Xiaoqian, ZHAO Junwei. Synthesis and Electrochemical Biosensing Properties of Pyridine Dicarboxylic Acid Decorated Rare-earth-incorporatedTellurotungstates [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210561.