代谢过程在生物体中起着维持多种生命活动的重要作用。一般来说，复杂的代谢反应需要调节机制来预防代谢紊乱。例如，高血糖会促使胰腺β细胞释放胰岛素，胰岛素会激活糖原合酶来合成糖原并抑制其分解，而低血糖则相反，这种调节的特点是通过磷酸化控制的变构调节实现酶活性的抑制和激活。出于同样的思考，让机器人、脑机接口和物联网等智能人工设备装配的化学传感器也发挥出这种可逆切换功能，从而自由地感知多重动态环境或者外界刺激信息，非常值得期待，但也是一个巨大的挑战。从化学的角度来看，为了实现这一目标，寻找具有可逆切换功能的催化剂是关键。然而，活性中心特定的金属价态和电子结构并不能同时匹配多个催化活性，阻碍了多种催化功能的高效可逆切换。

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，济宁学院青年教师洪卿和东南大学张袁建教授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-N_x配位中心的含Cu/Zn纳米酶、光催化剂和它们的混合物。此外，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。（图片来自Angew. Chem. I  nt. Ed.）

图2.光照和不同的Cu/Zn掺杂比的φ_red，SOD和POD活性切换机制图（图片来自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（φ_red），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-N_x），但具有不同的价态，由于Zn参与的协同效应，前者通过Cu(I/II)/Zn(II)的价态循环完成SOD反应，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.黄嘌呤和葡萄糖智能切换的传感原理图。（图片来自Angew. Chem. Int. Ed.）

基于Cu/Zn-C₆N₆SAzyme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5-100μm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黄嘌呤和葡萄糖智能切换生物传感器。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。该工作以热点论文（Hot Paper）的形式发表在Angew. Chem. Int. Ed.上

论文信息

Graphitic C₆N₆-supported Dual Cu/Zn Single-AtomNanozyme 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*

本工作的第一作者为济宁学院化学化工与材料学院青年教师洪卿，通讯作者为东南大学张袁健教授，该工作得到了国家、省自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520253