准确、快速地检测血糖水平对糖尿病的预防和治疗至关重要。电化学传感器具有成本低、操作方便、易于微型化等优点，该原理的葡萄糖传感设备从最初的台式或手持仪器逐渐发展为可穿戴、非侵入性、能够连续监测的微器件，极大地改善了患者的生活方式。然而，现有的葡萄糖传感器在灵敏度、选择性和稳定性方面仍有改进的空间，为了克服这些局限，设计开发高效敏感材料十分关键。单原子催化剂由于具有充分暴露的金属位点和均一的配位环境，在传感性能和机理研究方面表现出独特的优势，越来越多的研究关注其原子水平上的结构调控与高效葡萄糖传感之间的密切联系。
据麦姆斯咨询介绍，中国科学技术大学吴宇恩教授课题组总结了单原子催化剂在电化学葡萄糖传感中的应用，并讨论了其面临的机遇与挑战，相关成果以“Single-atom catalysts enabled electrochemical sensing for glucose”为题发表在传感领域国际著名杂志Biosensors and Bioelectronics上。
这篇综述从葡萄糖传感器件、敏感材料的发展以及基本传感原理出发，重点阐述了单原子催化剂的优势及其在酶促和无酶葡萄糖传感器中的最新研究进展。论文第一作者为颜牧雨博士，通讯作者为中国科学技术大学吴宇恩教授和上海大学薛正刚副教授。
电化学葡萄糖传感器件和敏感材料的发展
葡萄糖传感器从初期的台式仪器发展至今，逐渐更加适用于日常检测和现场诊断，未来的目标将集中在可穿戴、非侵入式、集成设备的改进和商业化。核心传感材料也从天然酶向人工酶、纳米材料转变，以满足高灵敏度、高选择性、高稳定性的需求。
图1 葡萄糖生物传感器及传感材料的发展
单原子催化剂的特性与优势
在电化学传感中，单原子催化剂能够起到信号放大和调控反应路径的作用，通过改善电荷转移动力学、选择性吸附、改变反应能垒等途径，从而显著提高催化性能。同时，根据单原子催化剂的结构特点，可以进行载体种类、配位环境、多原子协同等方面的精确调控，为设计高效催化剂和探索传感机制带来了新的思路。
图2 单原子催化剂的传感性能优化机理和结构调控策略
单原子酶促葡萄糖传感器
自葡萄糖酶电极发明以来，电化学葡萄糖传感器得到了广泛的应用，将其与单原子催化剂结合，可以促进电子转移，调节分析物的吸附特性，同时克服了纳米材料中活性位点难以识别的缺点，促进了传感机理的研究。基于此，本文总结了目前单原子酶促葡萄糖传感相关的研究进展。
图3 单原子酶促葡萄糖传感器件与敏感材料
单原子无酶葡萄糖传感器
无酶葡萄糖传感器主要依靠传感材料直接氧化电极表面的葡萄糖来获得电流响应，选择无酶传感器的优点是其稳定性、可重复性和不受氧浓度限制。金属及合金、碳材料、金属氧化物等都可以作为无酶葡萄糖传感器的电极材料。其中，贵金属在碱性和中性环境中表现出较高的氧化活性和稳定性，但这些催化剂价格昂贵，难以大规模制备，反应机理尚不明确，阻碍了它们的实际应用。此外，其他电活性物质的干扰也是无酶传感中的一个难题。单原子催化剂高活性、高选择性和低成本的优点，为解决这些问题提供了新的途径。
图4 单原子无酶葡萄糖传感器件与敏感材料
综上，与传统纳米材料相比，单原子催化剂具有高原子利用率和独特的不饱和位点，近年来，对单原子催化剂结构和性质的深入研究极大地推动了电化学生物传感的发展。本综述首先回顾了电化学葡萄糖传感器的发展历程和传感原理，进而总结了单原子催化剂在传感领域中具备的优势。然后，详细介绍了基于单原子催化剂的酶促和无酶葡萄糖传感器。最后，讨论了单原子催化剂在性能优化和实际应用中面临的机遇和挑战。
https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117144
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