铂基亚纳米催化剂原子层沉积策略调控及活细胞中过氧化氢电化学检测研究

To develop highly sensitive electrochemical sensing platform for the detection of H2O2 in living cells is of great significance to human life and health. It is reported that many nanocatalysts can be used to electrochemically detect H2O2, however, the sensitivity still cannot merit the requirement of in-situ detecting trace H2O2 released from some cells. To address the above-mentioned critical issue, in this project, atomic layer deposition strategy is innovatively developed to tune sub-nanometer Pt-based catalysts, and a series of sub-nanometer Pt-based catalysts will be controllably fabricated on the supports such as 3D graphene or ordered transition metal oxides/nitrides by using atomic layer deposition technique. Then, the content of H2O2 in living cells and its kinetics of release process will be monitored by electrochemical methods. By adjusting the composition and interface structure between catalyst and support, the insights behind the interface synergistic effect on catalyzing H2O2 and the corresponding enhanced sensing performance of sub-nanometer Pt-based catalysts will be illustrated. This project provides new strategy to construct sub-nanometer Pt-based catalysts with high catalytic activity and controllable interface, and supplies a new platform for investigating the content of H2O2 in living cells and its release kinetics as well as the nosogenesis of related diseases. In addition, the progress of this project can be extended to the in-situ electrochemical detection of other bioactive small molecules released from living cells.

发展高灵敏的电化学传感平台检测细胞中的过氧化氢（H2O2）对于生命健康具有重要意义。很多纳米催化剂可用于H2O2的电化学检测，但其检测灵敏度仍无法满足某些细胞中痕量H2O2原位检测的需要。为解决这一关键问题，本项目创新性发展了铂（Pt）基亚纳米催化剂的原子层沉积策略调控，在三维石墨烯、有序结构过渡金属氧化物/氮化物等载体上精确调控制备一系列Pt基亚纳米催化剂，然后运用电化学方法对细胞中H2O2的含量及其细胞释放动力学进行研究。通过调控催化剂-载体的组成和界面结构，系统研究H2O2在Pt基亚纳米催化剂上的界面协同催化增强传感机制。本项目为构建高催化活性的Pt基亚纳米催化剂及其界面调控提供了新策略，为研究细胞中H2O2含量和释放动力学以及阐明相关的疾病机制提供了新平台，可望在活细胞中其它生物活性小分子的原位电化学检测领域得到拓展应用。

过氧化氢（H2O2）作为活性氧的重要一员，与多种生理和病理现象密切相关。因此，活细胞中H2O2的高灵敏检测具有重要意义。但H2O2在细胞内普遍生成量少、寿命短、活性高，使得实现其原位、实时、高灵敏的定量检测极具挑战性。研究表明电化学法为实现细胞中H2O2的快速实时检测提供了可能，但当前电极材料的电催化活性普遍较低，其检测灵敏度仍无法满足某些细胞中痕量H2O2检测的需求。为解决这一关键问题，本项目围绕高性能电催化剂的结构设计和界面调控开展研究，发展了新型载体上Pt催化剂的原子层沉积调控新策略，开展了界面协同催化机制研究，实现了H2O2的高效电化学检测。本项目主要取得了如下重要进展：1）构建了多种高比表面、高导电率、高稳定性的过渡金属氮化物/氧化物载体材料，发展了载体上低Pt电催化剂的原子层沉积可控制备与调控新策略，有效提升了Pt基催化剂的活性、稳定性和利用率，实现了对活细胞中H2O2的原位、实时和高灵敏检测。考察了实验条件对载体材料结构与性能的影响，探讨了原子层沉积参数与电催化剂性能之间的影响关系，阐释了Pt基催化剂与载体之间的界面协同作用机制，为高性能H2O2电催化剂的开发提供了借鉴。2）结合国家对先进电催化材料的重大需求及界面电催化领域的最新进展和发展趋势，针对高性能低/非贵金属电催化剂开发及电催化机理不明晰等关键问题，本项目将新型载体材料设计与电催化剂开发有机融合，设计制备了系列低Pt/非Pt电催化新材料。从影响电催化性能的材料表界面结构入手，通过构建缺陷、异质界面和三维纳米阵列等策略对部分低Pt/非Pt电催化剂进行了调控和功能化，实现了高效能源电催化。探究了上述策略对材料表界面的影响机制和对电极反应过程的调控规律，有效指导了高性能电催化材料的构建。本项目为细胞中H2O2的电化学测量提供了一定的理论借鉴和材料基础，也为高性能电化学分析和催化材料的设计与调控提供了新见解。