哈尔滨师范大学赵景祥教授Chem：具有过氧化物酶特异性的钼单原子纳米酶配位数调控

纳米酶是一种具有类酶特性的纳米材料，结合了纳米材料和生物催化剂的优点。尽管这些纳米酶的稳定性和耐久性与天然酶相当，但特异性不令人满意仍然限制了它们作为天然酶替代品的广泛应用。由于纳米材料固有的结构复杂性，控制传统纳米酶的靶向类酶性能极具挑战性。在本文中，哈尔滨师范大学赵景祥等课题组成功报告了一系列异质钼单原子（Mo_SA）纳米酶的理论设计和实验实现。这些纳米酶的过氧化物酶特异性受单个 Mo位点的配位数很好地调节。Mo_SA-N₃-C纳米酶具有卓越和特定的过氧化物酶活性。这种配位数依赖的酶专一性机制归因于这些Mo_SA–N_x–C过氧化物酶类似物的几何结构差异和前线分子轨道的取向关系。该研究证明了过氧化物酶特异性纳米酶的合理设计和酶性质的精确调控。

首先用理论计算（DMol³模块）设计了一系列具有不同 Mo–N_x( x= 2, 3, 4)配位数的多相单原子钼催化剂 (Mo_SA–N_x–C)，并且显示了特定的 POD 模拟活性。因此，这些Mo_SA–N_x–C纳米酶清楚地证明了Mo单原子位点的配位环境与在原子水平上控制的过氧化物酶样特异性之间的相关性。根据DMol³计算的Mo_SA–N_x–C催化剂的几何结构和分子轨道可以很好地解释这些结果。由此产生的Mo_SA–N₃–C单原子纳米酶具有卓越且独特的类过氧化物酶活性，且已成功应用于人类尿液样品中黄嘌呤的选择性和灵敏分析。

图1. DFT计算

(A) 具有优化顶部结构的不同潜在类 POD 模型；(B) Mo-C₃、Mo-N₂、Mo-N₃和Mo-N₄结构上O₂和H₂O₂吸附的吸附能；(C) Mo-C₃、Mo-N₂、Mo-N₃和Mo-N₄结构上H₂O₂和O₂吸附能之间的不同值。

图2. Mo_SA–N_x–C催化剂的合成方案和表征

(A) Mo_SA–N_x–C催化剂的制备策略示意图；(B)不同配位数的Mo_SA–N_x–C催化剂XRD谱；(C) Mo_SA–N₃–C样品的HAADF-STEM元素映射（C，红色；N，橙色；Mo，绿色）；(D–F) Mo_SA–N₂–C (D)、Mo_SA–N_x–C (E)和Mo_SA–N₄–C催化剂(F)的像差校正(AC)HAADF-STEM图像.

图3. Mo_SA–N_x–C催化剂的结构表征

(A–C) Mo_SA–N₂–C, Mo_SA–N₃–C和Mo_SA–N₄–C催化剂在C的K边(A)和N的K边(B)以及Mo的K边；(D和E)不同样品的Mo的K边的FT-EXAFS曲线(D)和WT光谱(E)；(F–H) Mo_SA–N₂–C (F)、Mo_SA–N₃–C (G)、Mo_SA–N₄–C催化剂 (H)的实验Mo K-edge XANES 光谱之间的比较，以及从不同描述的结构计算出的相应理论光谱。

图 4. Mo_SA-N_x-C催化剂的类酶性能及催化机理的实验研究

(A) ox TMB溶液在OXD-like 或 POD-like反应系统中652 nm处的吸光度值以及使用不同Mo_SA-N_x-C催化剂的H₂O₂和O₂吸附能之间的差异。误差棒表示± SD；(B) NH₃处理前后Mo_SA–N₃–C催化剂Mo 的K边的FT-EXAFS 曲线；(C) Mo_SA–N₃–C催化剂在NH₃处理前后的POD-like和OXD-like活性之间的 UV-vis 吸附值差异 (ΔA ) ；(D)当Mo_SA–N₃–C催化剂在HAc–NaAc缓冲溶液(pH = 3)中被10 mM KSCN中毒或在0.1 M KOH碱性介质中回收时，ox TMB的紫外可见吸收光谱；(E)操作反应池设置的示意图；(F)在类POD反应过程中Mo_SA–N₃–C催化剂在Mo K边的原位XANES 光谱。

图5. Mo_SA-N_x-C纳米酶配位数相关POD特异性机制的理论研究

(A–C)通过溶血或异溶途径激活H₂O₂的过程以及Mo_SA–N₂–C (A)、Mo_SA–N₃–C (B)和Mo_SA–N₄–C上的HOMO结构带有顶视图或侧视图(C)；(D)不同Mo_SA–N_x–C催化剂上类 POD机制的自由能图；(E) Mo_SA-N₃-C结构上的类POD反应路径的催化机制；(F) Fe-N₃、Co-N₃、Ni-N₃和Mo-N₃结构上H₂O₂和O₂吸附能之间的不同值。

基于DFT计算研究催化行为的原子级起源。当进行完整的几何优化时，H₂O₂分子可以在所有三种催化剂上自发解离。然而，相应的产物高度依赖于钼原子的配位。如显示在图5和5C ，吸附H₂O₂自发地分离成（O* + H₂O）的中间体上的Mo-N₂和Mo-N₄结构部分由一个异裂路径。相比之下，两个OH ^∗Mo-O键长约为1.95 Å的基团是通过Mo-N₃部分的均裂路径获得的（图 5 B）。通过使用对苯醌( p-BQ)和叔丁醇(TBA)作为超氧自由基(O₂ ^⋅− )和 ⋅OH通过实验进一步证实了Mo_SA–N₃–C催化剂的溶血反应途径分别为自由基清除剂。

Mo-N_x部分之间不同的分解行为可能归因于两个原因，特别是原子结构和前沿分子轨道的取向。Mo_SA–N₃–C在C_3v对称中具有非平面几何形状，其中Mo原子突出平面。由于H₂O₂到2OH^*基团的解离，Mo_SA–N₃–C中向外的3配位Mo位点将变为5倍配位（图 5 B）。至于Mo-N₄部分，Mo原子完全嵌入石墨烯层中，具有四配位的Mo位点，优选将其改性为五配位结构而不是六配位结构（图5C）。在Mo_SA–N₂–C结构中，H₂O₂分解为2OH ^∗基团，但这些基团会自发地变为O∗ + H₂O。第二个因素是前沿分子轨道的方向。Mo_SA–N_x–C样品的不同最高占据分子轨道（HOMO）的顶视图和侧视图（x = 2, 3, 4)显示在图 5A -5C的底部面板中。大约0.40个电子从Mo原子的d轨道转移到H₂O₂的反键轨道。所有Mo-N_x部分都是这种情况。观察到H₂O₂的最低未占分子轨道（LUMO）和Mo-N₃部分的HOMO之间更好的对称匹配作为水平吸附（图 5 B），而垂直配置更适合 Mo-N₂上的H₂O₂吸附（图 5A)和Mo-N₄部分（图 5 C）。

计算了类POD反应的相应自由能曲线，以提供对催化机制的深入理解。H₂O₂在Mo-N₂、Mo-N₃和Mo-N₄部分的离解是高度放热的，自由能分别为6.57、4.77和6.33 eV（图5D）。然而，随后的反应，包括OH^*、H₂O^*物种的形成和H₂O的解吸，是在自由能量分布略微上坡。相比之下，Mo-N₃模型表现出比Mo-N₂更好的催化活性和Mo-N₄部分由于其较低的能量输入。这与我们对高效Mo_SA–N₃–C POD模拟物的实验结果非常一致。图5E和S31中呈现了各个阶段的相应原子配置。显示了从TMB底物到催化剂的电子转移、氧化TMB的形成以及来自酸性介质的质子转移。此外，Mo_SA–N₃–C POD纳米酶的特异性和金属位点依赖性的酶特异性的影响也理论上通过采用Fe-N₃系列评估，Co-N_3、Ni-N₃和Mo-N₃结构。结果表明，获得的Mo_SA–N₃–C显示出比其他基于金属位点的M-N₃结构高的H₂O₂吸附能和ΔE _ads值（图 5 F）。上述理论研究清楚地支持了Mo_SA–N₃–C纳米酶表现出高效和特定的类POD性能的结论，并为理解其起源提供了框架。

图 6. 类POD的MoSA–N₃–C纳米酶的应用

(A) Mo_SA–N₃–C电极对在–0.5 V与SCE下将H₂ O₂连续添加到0.1 M PBS溶液（pH = 5）中的电流响应；(B)具有不同H₂O₂浓度的ox TMB的吸收光谱；(C) H₂O₂检测的线性校准图（插图：相应的颜色变化）；(D)黄嘌呤比色检测示意图；(E)具有不同黄嘌呤浓度的ox TMB的吸收光谱；(F)黄嘌呤检测的线性校准图（插图：相应的颜色变化）。误差棒表示± SD。每个点重复三遍。

Ying Wang, Guangri Jia, Xiaoqiang Cui, Xiao Zhao, Qinghua Zhang, Lin Gu, Lirong Zheng, Lu Hua Li, Qiong Wu, David J. Singh, Daiju Matsumura, Takuya Tsuji, Yi-Tao Cui, Jingxiang Zhao, Weitao Zheng, Coordination Number Regulation of Molybdenum Single-Atom Nanozyme Peroxidase-like Specificity. Chem, Volume 7, Issue 2, 2021, 436-449,

ISSN 2451-9294.

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.10.023

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