超薄 Pd 纳米酶的热电子激活过氧化物酶模拟活性

结果与讨论

Pd NSs 纳米酶的设计和表征

通过经典方法（图1a）制备了典型的钯纳米片合成方法，以构建一系列具有固有底物和光子捕获以及高效过氧化物酶模拟特性的高活性原子位点超薄纳米酶。图 1b-d 显示了合成 Pd NSs 的典型低倍透射电子显微镜 (TEM) 图像，其中由横向尺寸约为 10.0 nm 的均匀纳米片组成（图 1b，插图），平均厚度约为1.1 nm（图1c，插图）。按尺寸分，上下平面的面积百分比在90%以上。高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 用于进一步确认 Pd NSs 的形态和相。图 1g 显示了钯的 (111) 和 (200) 晶格面的~0.22 和 0.256 nm 的适当间距 [27]。为了满足实验需要，Pd NSs的XRD图谱通过负载在商业碳上进行表征。如图 1e 所示，40.11、46.65 和 68.12 附近的衍射峰对应于立方 Pd NSs 的（111）、（200）和（220）面，这与 HRTEM 的观察结果一致。此外，除了与商业碳相关的峰之外，没有指示结晶相的峰。 Pd 3d 光谱显示出两个峰（图 1f）Pd 3d5/2 和 Pd 3d3/2（由自旋轨道分裂产生），分别位于 335.5 和 339.2 eV [25]，表明存在两种化学环境钯原子。

纳米酶的表征。 一 Pd纳米酶的生长机制。 b , c , 和 d 透射电镜。 e XRD 图。 f Pd NSs 的 Pd 3d XPS 光谱。 g Pd NSs的HRTEM图像

光催化过氧化物酶模拟活性

通过使用 TMB 作为典型的过氧化物酶底物研究了 Pd NSs 的过氧化物酶样活性。由于大部分 Pd 原子暴露在超薄纳米片的表面，我们推断超薄 Pd NSs 具有高密度的活性表面位点，因此具有出色的催化活性。正如预期的那样，在 H2O2 共存下，Pd NSs 可以有效地催化无色底物 TMB 氧化为蓝色产物 oxTMB，在 652 nm 处具有特征吸收（图 2a、b）。然而，在没有加入H2O2的情况下，Pd NSs的活性在相同的实验条件下可以忽略不计，这表明类过氧化物酶活性在反应过程中起重要作用。与天然酶和其他纳米酶类似，Pd 纳米酶具有 pH 值、温度和浓度依赖性的过氧化物酶活性（图 2c 和图 S1）。在实验条件下，Pd NSs在弱酸溶液中表现出优化的催化活性，当温度在25～75 ℃之间变化时，反应溶液的特征吸收峰在35 ℃处最高（图2c）。令人惊讶的是，无论有无光照射，都观察到过氧化物酶模拟活性的显着差异（图 2d 和图 S2）。根据反应溶液60 min的吸收值，可见光下Pd NSs的活性比黑暗条件下Pd NSs的活性高约2.4~3.2倍（图2d和图S2）。同样，将光引入催化过程中，其他等离子体金属纳米粒子也可以增加它们的类过氧化物酶活性（图 S3-S5）。通过比较这些纳米酶，我们发现 Pd NSs 显示出最大的活性调节范围。这种现象主要是由于超薄纳米片的独特结构。从这些结果可以推断，可见光对所有等离子体金属纳米材料的类过氧化物酶活性都有直接影响（图2e），SPR效应可能在催化过程中起重要作用。

Pd NSs 的过氧化物酶模拟活性。 a-b 不同样品在可见光和黑暗条件下的典型紫外-可见吸收光谱。 c 温度和 pH 值对过氧化物酶模拟活性的影响。 d 过氧化物酶模拟活性的时间进程。 e Pd NSs 在暗光和可见光下的过氧化物酶样机制。实验条件：可见光 =λ ≥ 400 nm，TMB =0.7 mM，H2O2 =50 mM，温度 =25 °C，Pd NSs =12.6 μg/mL，磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 4）

钯纳米酶的动力学和机理研究

为了表征 Pd NSs 的酶促行为，我们确定了反应的酶动力学理论。然而，在合适的 TMB 浓度范围内，Pd NSs 呈现典型的 Michaelis-Menten 曲线（图 3a）。米氏常数 (Km) 和最大反应速度 (Vmax) 是通过使用 Lineweaver Burk 方程获得的，如表 S1 所示。与辣根过氧化物酶（HRP）相比，含有 TMB 的 Pd NSs 的表观 Km 值减弱了 0.28（图 3a、b 和表 S1）。该结果表明所制备的Pd NSs的超薄片层结构对TMB具有高亲和力，甚至高于天然酶HRP。

<图片>

Pd NSs (12.6 μg/mL) 的稳态动力学分析和催化机制。 一 H2O2 的浓度为 50 mM，而 TMB 的浓度是变化的（0.1-1.5 mM）。 b TMB的双倒数图

由于很明显 H2O2 可以与 Pd NSs 分解形成活性氧物质，因此了解产生哪些物质以提供氧化功能至关重要。原则上，贵金属可以在较低的 pH 条件下催化 H2O2 分解形成 •OH 和反应中间体 O* [28]，这两种物质都可能是在酶模拟反应中提供氧化功能的物质。为了了解Pd NSs可能的催化机制，我们首先使用对苯二甲酸（TA）/H2O2体系来测试Pd NSs的过氧化物酶样特性是否与•OH自由基的形成有关（图4a）。使用 TA 作为荧光探针，通过 2-羟基对苯二甲酸与 •OH 的反应产生高荧光产物 [29]。如图 4b 所示，添加 Pd NSs 后溶液的荧光强度显着降低。结果与荧光强度随着 Pd NSs 浓度的增加而降低（图 S6）非常一致。这些结果表明Pd NSs 可以消耗•OH 自由基而不是产生它们。因此，类似于铁蛋白-铂纳米粒子的催化行为[30]，我们的Pd NSs 的催化性能与•OH 自由基的形成无关。

<图片>

一 对苯二甲酸 (TA) 捕获羟基自由基 (•OH) 的机理图。含有磷酸盐缓冲液 (0.1 M, pH 4)、H2O2 (50 mM) 和可见光照射 (λ) 的样品光谱 ≥ 400 纳米，15 分钟）。 b Pd NSs (12.6 μg/mL) 和 TA (66.7 μM) 存在下的荧光发射光谱。 c KBrO3 捕获热电子的机理图。 d Pd NSs (12.6 μg/mL)、KBrO3 (0.3 mg/mL)和TMB (0.7 mM)存在下的吸收光谱

为了研究 Pd NSs 的催化机制是否与光形成热电子有关，我们还探索了光催化反应过程中活性物质热电子的俘获实验（图 4c）[31]。从图 4d 可以看出，通过添加 0.3 mg/mL KBrO3（e ^- ）。 KBrO3/反应系统和纯系统之间的巨大差异表明热电子的存在可能对 TMB 氧化至关重要。这与图 S7 的结果一致，即 Pd NSs 在 500-1000 nm 的光谱范围内通过 SPR 效应具有宽吸收峰 [25]。此外，一旦热电子离开 Pd NSs 表面，其表面就会留下相应的空穴。由于这些空穴可以氧化乙醇产生乙醛，它们也可能对 TMB 具有强大的氧化能力。正如预期的那样，在不添加 H2O2 的情况下，在可见光照射下产生了更多的 oxTMB。

接下来，我们测试是否通过在可见光下激活 O2，包括超氧化物 (O2 ⁻ ）。有鉴于此，在不同的气氛下进行了受控实验。对于图 S8，当我们分别引入氮气和氧气并使反应体系饱和时，模拟酶的催化性能没有显着变化，这不受 O2 对 Pd NSs 光催化活性的显着影响。必须指出的是，Pd NSs 的最终性能，即使在可见光下高达 0.051 a.u./min 持续 5 分钟，也是 Pd NSs 催化剂在黑暗中的 3.2 倍（图 2d）。 Pd 纳米酶在可见光下的极高活性导致了一种假设，即 Pd NSs 的 SPR 效应导致热电子的存在促进了反应中间体 O* 的形成而不是自由基，这是过氧化物酶样活性的原因（图 5a） ) [28]。总之，活性物种的捕获实验和通风实验为Pd NSs的光催化模拟酶机制提供了有力的支持。

<图片>

一 用于检测 H2O2 的传感器示意图。 b 不同过氧化氢浓度的剂量反应曲线。实验条件：Pd纳米酶（25.2 μg/mL）、磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 4）和TMB（0.7 mM）可见光照射（λ ≥ 400 纳米，3 分钟）。插图：线性校准图。 c 其他杂质对 H2O2 比色传感器在 652 nm 处吸光度的干扰。实验条件：Pd纳米酶（25.2 μg/mL），磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 4），TMB（0.7 mM），可见光照射（λ ≥ 400 nm, 15 min)，包括 50 mM H2O2、200 mM 葡萄糖、Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , 和 CO3 ²⁻ , 插图显示反应溶液的颜色变化

一种新型实时高灵敏度传感器

这在几项研究中得到证明，将光作为外部能量输入引入传感器可以提高传感器的性能 [22, 32, 33]。例如，Ling 等人。 [32]发现10 at的O2传感特性。 % LaOCl-SnO2 传感器通过紫外光照射得到显着改善。考虑到光对传感器的显着影响以及我们实验中Pd NSs在可见光下优异的过氧化物酶模拟活性，构建了一种有效且灵敏的比色传感器H2O2。传感器的机理（图5a）表明Pd NSs可以充分利用其大比表面积来捕获光子并产生大量热电子。之后，热电子促进H2O2分解产生反应中间体O*，可将TMB氧化成蓝色oxTMB。最终实现了H2O2的高效检测。

从图5b的插图中可以看出，我们构建的H2O2传感器的线性范围为10到100 μM，检测限的计算为13.40 μM（LOD =3 s /k , 其中 s 和 k 分别代表八个平行对照测量的相对标准偏差和斜率的线性校准块。在这项工作中，s =2.97988 × 10 ⁻⁴ , k =6.67 × 10 ⁻⁵ ）。因此，在引入光的条件下，基于 Pd NSs 的过氧化氢传感器优于其他报道的纳米材料。从表 S2 可以看出，用相同的比色法检测过氧化氢，我们的传感器显示出广泛的线性范围 [34]。并且检测限低于许多基于铁基或钴基过氧化物酶模拟物的传感器（表 S3）[35, 36]。最后，我们进行了 H2O2 和一系列具有潜在干扰的对照实验（图 5c），例如 K ⁺ , 葡萄糖, Na ⁺ , CO3 ²⁻ , 和 Ca ²⁺ .如图 5c 的插图所示，很明显，这些干扰物在 652 nm 处的吸光度很弱，颜色没有变化。基于我们的研究结果，成功实现了一种基于可见光的高效且高度特异性的过氧化氢传感器。该传感器不仅充分利用可见光来提高其检测性能，而且为传感器中的其他等离激元金属提供了很好的范例。

结论

总之，由于纳米片表面的高密度活性位点和 SPR 的独特光学特性，我们展示了一个令人兴奋的例子，将超薄 Pd 纳米片（Pd NSs）用作高效且光可控的过氧化物酶模拟物。在可见光的照射下，Pd纳米片通过SPR效应产生的热电子可以随后分解H2O2产生中间体O*。在可见光照射下，这种纳米酶表现出比在黑暗中高得多的过氧化物酶样活性。这种光激活系统进一步用于增强 H2O2 的生物传感。这里提出的基本概念基于通过光活化 Pd 纳米酶的 SPR 效应产生热电，可能有助于设计智能或更高效的人工酶系统，并为化学工业和生物技术提供许多新的机会。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

Pd NSs：

钯纳米片

Ag：

银色

Au：

黄金

点：

白金

Pd：

钯

SPR：

表面等离子体共振

TEM：

透射电子显微镜

HRTEM：

高分辨率透射电镜

XRD：

X射线衍射

HRP：

辣根过氧化物酶

公里：

米氏常数

O2 ⁻ ：

超氧化物