代谢过程作为生物体维持生命活动的核心机制，其复杂调控网络对保障生理稳态至关重要。以血糖调节为例，该系统通过精密的反馈机制实现动态平衡：高血糖状态触发胰腺β细胞释放胰岛素，后者通过变构调节激活糖原合酶（促进糖原合成）并抑制其分解活性；而低血糖则启动反向调节通路。这种精细调控的本质在于磷酸化介导的酶活性可逆切换——通过共价修饰精确控制代谢通路的开闭状态。
受此启发，将类似的智能响应机制赋予人工系统具有重要研究价值。具体而言，若能使机器人、脑机接口及物联网设备搭载的化学传感器具备类似生物代谢的可逆切换功能，将有望实现对多维动态环境或复杂刺激信息的精准感知与自适应响应。然而，这一跨学科目标的实现面临重大挑战：从化学视角看，开发具有动态可逆切换特性的智能催化剂是核心突破口。当前技术瓶颈在于，传统催化剂的活性中心通常具有固定的金属价态与电子结构，这种结构特性导致其难以同步兼容多重催化活性状态，严重制约了催化剂在多种功能间的高效可逆转换。
氮化碳（CN）是一种无金属半导体，具有可调控的共轭重复单元，合适的空腔结构以及丰富的孤对电子，因而不仅能够形成不同化学计量比的CN拓扑结构（如C3N4，C3N2，C5N2和C2N等），还可以作为骨架构建金属单原子纳米酶（如M-CN和M-N-C SAzyme等，M代表金属元素）。M-CN SAzyme可以通过金属活性中心的氧化还原驱动仿生催化反应，这与天然金属酶的作用机制相类似。因此，通过调控金属中心在不同氧化还原反应中的价态，有望为整体电子结构的精准调控提供一条简单有效的路径，从而模拟变构调节机制，实现多功能的可逆切换。
鉴于此，东南大学张袁健、沈艳飞团队与江西师范大学高雪皎团队合作报道了一种铜/锌双单原子纳米酶（Cu/Zn-C6N6）。如图1所示，Cu/Zn-C6N6在无光条件下具有优异的类超氧物歧化酶（SOD）活性，还能够在光照下高效地可逆切换成独特的类过氧化物酶（POD）活性。这一切换性能明显高于其对照实验，包括具有和Cu/Zn-C6N6类似Cu/Zn-Nx配位中心的含Cu/Zn纳米酶、光催化剂和它们的混合物。通过交替的光照，SOD和POD活性之间的可逆转换效率超过90%以上，比光敏小分子的顺式和反式异构体之间的切换效率还要高30%。
图1. Cu/Zn-C6N6及其对照组催化还原WST-8和氧化ABTS的性能图，循环稳定性图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
图2. 光照和不同的Cu/Zn掺杂比的φred，SOD和POD活性切换机制图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
综合实验和TD-DFT计算表明（图2），光照和不同的Cu/Zn掺杂比都能通过改变势能面和前线轨道能量来调节金属的价态和还原电位（φred），从而微调SOD活性，使独特的SOD和POD活性来源于同一活性中心（Cu-Nx），但具有不同的价态：前者通过 Cu(I/II) 的价态循环完成SOD反应（Zn 参与协同），后者在光电子驱动下高效地切换成Cu(I/0)的循环实现POD反应。
图3. 智能切换黄嘌呤和葡萄糖传感的原理图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
基于Cu/Zn-C6N6 SAzyme的多功能可逆切换能力，该团队将其成功应用于单界面智能切换生物传感，通过简单的交替光照，在微流控反应器中实现了葡萄糖和黄嘌呤体外可逆切换检测（图3），线性检测范围分别为5-100 μm和1-100 μm。
综上所述，该研究提出了一种铜/锌双单原子纳米酶（Cu/Zn-C6N6）。该纳米酶不仅解决了活性中心整体电子结构的精准调控，还成功地构建了体外智能切换黄嘌呤和葡萄糖的传感器件。考虑到光照优异的时空分辨率和高度可控性，该研究报道的自适应生物传感器将为智能人工设备提供集成度更高的动态化学传感界面。
本工作的第一作者为东南大学化学化工学院的博士生洪卿，通讯作者为东南大学张袁健教授、沈艳飞教授和江西师范大学高雪皎教授，该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Graphitic C6N6-supported Dual Cu/Zn Single-Atom Nanozyme Mimicking Allosteric Regulation for Intelligent Switching Biosensing
Qing Hong, Yuanjie Ma, Caixia Zhu, Kaiyuan Wang, Hong Yang, Kaiqing Wu, Yanfei Shen*, Songqin Liu, Xuejiao J. Gao*and Yuanjian Zhang*
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202520253
导师介绍
张袁健
https://www.x-mol.com/university/faculty/19298
沈艳飞
https://www.x-mol.com/university/faculty/453712
