Ультратонкие палладиевые нанозимы: световая активация пероксидазной мимикрии для точного катализа

Аннотация

Светово-активируемые нанозимы открывают новые возможности для химической промышленности и биотехнологий. Однако существующие дистанционно-контролируемые каталитические системы еще далеки от идеала. Представлен интересный пример применения ультратонких палладиевых нанолистов (Pd NSs) как светоконтролируемой пероксидазной мимикрии. Поскольку большинство Pd атомов экспонированы на поверхности, Pd NSs толщиной 1,1 нм обладают высокой пероксидазо-подобной активностью. Что важнее, под световым возбуждением такая внутренняя активность может быть дополнительно активирована почти в 2,4–3,2 раза. Явление объясняется уникальным оптическим свойством ультратонких Pd NSs, эффективно захватывающих фотоны для генерации горячих электронов через эффект поверхностного плазмонного резонанса (SPR), способствуя in situ декомпозиции H₂O₂ в реактивные радикалы кислородных видов (O*). Усиленный катализ также используется для реального времени и высокочувствительной колориметрической детекции H₂O₂. Ожидается, что работа даст ценные инсайты для рационального дизайна искусственных нанозимов с контролируемой и эффективной активностью в биомедицинской диагностике, доставке лекарств и экологической химии.

Введение

Природные ферменты — изысканные биокатализаторы, катализирующие почти все химические превращения жизни. Однако существуют angeborene дефекты: низкая стабильность и высокая стоимость. С момента первого сообщения о магнетитовых наночастицах с внутренней пероксидазо-подобной активностью, дизайн и разработка наноматериалов с ферменто-подобной активностью (нанозимы) привлекают растущее внимание. Доселе серия оксидных, металлических и углеродных наноматериалов использовалась для мимикрии перекиси гидролазы (HRP). Среди них благородные металлические наноматериалы (Ag, Au, Pt, Pd) показывают высокую пероксидазо-подобную активность. С другой стороны, использование света для активации активности нанозимов также сообщалось, предлагая возможности для биотехнологий и химической промышленности. Однако современные дистанционно-контролируемые каталитические системы все еще неудовлетворительны.

Плазмонные металлические наноматериалы могут захватывать или отвечать на солнечный свет благодаря уникальному оптическому свойству поверхностного плазмонного резонанса (SPR). Эти материалы, захватывающие фотоны для генерации горячих электронов через SPR, становятся ключевыми для повышения каталитической скорости, продвижения нового оптического сенсирования биомолекул, инженерии фоттермической терапии и использования солнечного света как возобновляемой энергии. Однако ни одно исследование не фокусировалось на SPR эффекте плазмонных металлических нанозимов на их ферменто-мимикрирующей активности. Привлекательно комбинировать плазмонные металлические нанозимы с SPR для достижения высокоактивного и светоконтролируемого ферментного катализа.

Впервые сообщается, что ультратонкие палладиевые нанолисты (Pd NSs) толщиной ~1,1 нм служат отличной и светоконтролируемой пероксидазной мимикрой. Pd-базированные нанозимы и светоконтролируемые нанозимы сообщали о множественной ферментной мимикрии (оксидаза, пероксидаза, каталаза, супероксид дисмутаза). Однако их структуры обычно — частицы, объемные, стержни. Ультратонкие Pd NSs имеют высокую поверхностную энергию, малый латеральный размер, высокую подвижность электронов, что дает высокую плотность активных поверхностных центров. Большинство атомов, экспонированных на ультратонких нанолистах, служат идеальной платформой для инженерии их свойств. Вдохновляясь уникальной структурой ультратонких нанолистов, представлена стратегия, не только полностью использующая активные центры Pd атомов, но и внедряющая горячие электроны в ферментный катализ. Как показано на Схеме 1, взаимодействие фотонов с ультратонкими Pd NSs возбуждает SPR, нерадиативно распадающийся на горячие электроны и дыры, способствуя in situ редуктивной декомпозиции H₂O₂ в радикалы кислородных видов (O*) с окислением TMB под видимым светом. Введение видимого света в ферментативную реакцию делает Pd NSs значительно более активными каталитически, чем в темноте.

Материалы и экспериментальные методы

Материалы и характеризация

Лимонная кислота (CA); N,N-диметилформамид (DMF); 3,3′,5,5′-тетраметилбензидин (TMB); цетилтриметиламмоний бромид (CTAB) — Sigma Aldrich. Pd(II) ацетилаценат, W(CO)₆, поливинилпирролидон (PVP) — Macklin. Перекись водорода (H₂O₂, 30% вес.) — Beijing Chemicals (Beijing, China). Все химикаты без дополнительной очистки. Экспериментальная вода Millipore (18,2 МОм; Millipore Co., USA).

Фазовые структуры — PANalytical XRD с Cu Kα (λ=1,5406 Å). UV-vis диффузная отражающая спектроскопия (DRS) при комнатной температуре на Lambda 750, PerkinElmer. Концентрации катализаторов — ICP-AES (720, Agilent). TEM — JEM1400 plus (100 кВ). HRTEM — JEM-2100F FE-TEM (200 кВ).

Синтез палладиевых нанолистов

По опубликованному методу. Кратко: Pd(II) ацетилаценат (16 мг), PVP (MW=24000, 30 мг), CA (150 мг), CTAB (60 мг) смешаны в DMF (10 мл) и перемешаны в атмосфере N₂ 1 ч. Когда цвет раствора в колбе (25 мл) становится однородным оранжево-красным, добавляют 100 мг W(CO)₆ под N₂. Нагревают колбу 80 °C 1 ч. После реакции темно-синий продукт разделен центрифугированием (9000 об/мин, 3 мин) с достаточным ацетоном, затем диспергирован в этаноле. Процесс повторен 3 раза. Финально Pd нанолисты диспергированы в 10 мл этанола для дальнейших экспериментов.

Измерение фотокаталитической пероксидазно-мимикрирующей активности

Пероксидазно-подобная активность Pd NSs нанозимов оценивалась окислением TMB. 300-Вт Xe лампа (CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China education Au-light Co., Ltd., Beijing) как источник света, стеклянный фильтр пропускает видимый свет (λ≥400 нм). Типичный эксперимент: 12,6 мкг/мл Pd NSs нанозимы (ICP-AES) в 1 мл фосфатного буфера (0,1 М, pH 4) с 50 мМ H₂O₂ и 0,7 мМ TMB при комнатной температуре. В разное время под облуччением активность определялась мониторингом характерного пика абсорбции 652 нм после центрифугирования, указывающего на концентрацию продуктов окисления TMB. Контрольный эксперимент при тех же условиях, но без освещения.

Результаты и обсуждение

Дизайн и характеристика Pd NSs нанозимов

Типичный синтез палладиевых нанолистов классическим методом (Рис. 1a) для построения серии высокоактивных атомных центров ультратонких нанозимов с врожденными субстратами и захватом фотонов и эффективными пероксидазно-мимикрирующими характеристиками. Рис. 1b–d — типичные низкоувеличенные TEM изображения синтезированных Pd NSs: равномерные нанолисты с латеральными размерами ~10,0 нм (вставка Рис. 1b) и средней толщиной ~1,1 нм (вставка Рис. 1c). По размеру площадь верхней и нижней плоских поверхностей >90%. HRTEM подтверждает морфологию и фазу Pd NSs. Рис. 1g: соответствующие интерпланарные расстояния ~0,22 и 0,256 нм для (111) и (200) решетных плоскостей палладия. Для экспериментальных нужд XRD Pd NSs характеризовали загрузкой на коммерческий углерод. Рис. 1e: дифракционные пики ~40,11°, 46,65°, 68,12° соответствуют (111), (200), (220) кубическим Pd NSs, согласуется с HRTEM. Никаких пиков других кристаллических фаз, кроме пиков коммерческого углерода. Pd 3d спектр (Рис. 1f) два пика Pd 3d₅/₂ и Pd 3d₃/₂ (спин-орбитальное расщепление) при 335,5 и 339,2 эВ — две химические среды для Pd атома.

Фотокаталитическая пероксидазно-мимикрирующая активность

Пероксидазно-подобная активность Pd NSs изучалась с TMB как типичным пероксидазным субстратом. Поскольку большинство Pd атомов экспонированы на поверхности ультратонких нанолистов, ультратонкие Pd NSs обладают высокой плотностью активных поверхностных центров и отличной каталитической активностью. Как ожидалось, в сосуществовании H₂O₂ Pd NSs эффективно катализируют окисление бесцветного субстрата TMB в синий продукт oxTMB с характерным поглощением 652 нм (Рис. 2a,b). Без H₂O₂ активность Pd NSs пренебрежима при тех же условиях — пероксидазно-подобная активность играет важную роль. Как природные ферменты и другие нанозимы, Pd нанозимы имеют pH-, температурно- и концентрационно-зависимую пероксидазную активность (Рис. 2c и Рис. S1). В экспериментальных условиях Pd NSs показывают оптимальную каталитическую активность в слабокислой среде, характерный пик абсорбции максимален при 35 °C при температуре 25–75 °C (Рис. 2c). Удивительно, с или без светового облучения наблюдается значительная разница в пероксидазно-мимикрирующей активности (Рис. 2d и Рис. S2). По значению абсорбции раствора реакции за 60 мин активность Pd NSs под видимым светом ~2,4–3,2 раза выше, чем в темноте (Рис. 2d и Рис. S2). Аналогично, введение света в катализ других плазмонных металлических наночастиц также увеличивает их пероксидазно-подобную активность (Рис. S3–S5). Сравнивая эти нанозимы, Pd NSs показывают наибольший диапазон регуляции активности. Явление главным образом связано с уникальной структурой ультратонкого нанолиста. Из результатов следует, что видимый свет прямо влияет на пероксидазно-подобную активность всех плазмонных металлических наноматериалов (Рис. 2e), и SPR эффект может играть ключевую роль в каталитическом процессе.

Кинетическое и механистическое исследование Pd нанозимов

Для характеристики ферментного поведения Pd NSs определили ферментную кинетику. В подходящем диапазоне концентрации TMB Pd NSs показывают типичную кривую Михаэлиса-Ментена (Рис. 3a). Константа Михаэлиса (Km) и максимальная скорость реакции (Vmax) получены уравнением Лайнвивера-Бурка (Таблица S1). По сравнению с перекисью гидролазой (HRP), видимое Km значение Pd NSs с TMB ослаблено на 0,28 (Рис. 3a,b, Таблица S1). Это указывает, что ультратонкая структура Pd NSs демонстрирует высокую аффинность к TMB, даже выше, чем у натурального фермента HRP.

Так как H₂O₂ декомпозируется образуя реактивные кислородные виды с Pd NSs, важно понять, какие виды обеспечивают окислительную функцию. Принципиально благородные металлы катализируют декомпозицию H₂O₂ в •OH и промежуточные O* при низком pH, любой из которых может обеспечивать окисление в ферментно-мимикрирующих реакциях. Для понимания механизма Pd NSs сначала использовали терефталовую кислоту (TA)/H₂O₂ систему для проверки, связана ли пероксидазная активность с образованием •OH радикалов (Рис. 4a). TA как флуоресцентный зонд дает высокофлуоресцентный продукт реакции 2-гидрокситерефталовой кислоты с •OH. Рис. 4b: интенсивность флуоресценции раствора значительно снижается после добавления Pd NSs. Результаты согласуются со снижением флуоресценции при увеличении концентрации Pd NSs (Рис. S6). Это указывает, что Pd NSs поглощают •OH радикалы, а не генерируют их. Следовательно, как и для ферритин-платиновых наночастиц, каталитическая активность Pd NSs независима от образования •OH радикалов.

Для исследования связи каталитического механизма Pd NSs с образованием горячих электронов светом провели ловушку активных видов горячих электронов при фото каталитической реакции (Рис. 4c). Рис. 4d: каталитическая способность Pd NSs к окислению TMB значительно снижается за 15 мин при добавлении 0,3 мг/мл KBrO₃ (квинчер e⁻). Огромная разница между системой KBrO₃/реакцией и чистой системой показывает, что присутствие горячих электронов критично для окисления TMB. Это согласуется с Рис. S7: Pd NSs имеют широкий пик поглощения через SPR в диапазоне 500–1000 нм. Кроме того, когда горячие электроны уходят с поверхности Pd NSs, остаются соответствующие дыры. Эти дыры могут окислять этанол до ацетальдегида, значит, они также обладают сильной окислительной способностью к TMB. Как ожидалось, без H₂O₂ под видимым светом образуется больше oxTMB.

Далее проверили, образуются ли реактивные кислородные виды активацией O₂ под видимым светом, включая супероксид (O₂⁻). Контрольные эксперименты под разными атмосферами. Для Рис. S8 каталитическая активность мимик-ферментов не меняется существенно при насыщении азота и кислорода — фото каталитическая активность Pd NSs не сильно зависит от O₂. Важно: максимальная активность Pd NSs, до 0,051 а.е./мин за 5 мин под видимым светом, в 3,2 раза выше, чем в темноте (Рис. 2d). Экстремально высокая активность под видимым светом приводит к гипотезе: существование горячих электронов через SPR Pd NSs способствует образованию промежуточных O* вместо свободных радикалов для пероксидазно-подобной активности (Рис. 5a). Кратко, ловушка активных видов и вентиляционные эксперименты дают надежную поддержку фото каталитического механизма мимик-фермента Pd NSs.

Новый реального времени и высокочувствительный сенсор

В нескольких работах показано, что введение света в сенсор как внешний энергетический вход улучшает производительность сенсора. Например, Ling et al. нашли, что O₂ сенсорные свойства 10 at.% LaOCl-SnO₂ значительно улучшаются УФ облучением. Учитывая значительное влияние света на сенсор и отличную пероксидазно-мимикрирующую активность Pd NSs под видимым светом в наших экспериментах, построен эффективный и чувствительный колориметрический сенсор H₂O₂. Механизм сенсора (Рис. 5a): Pd NSs используют большую удельную площадь для захвата фотонов и генерации множества горячих электронов. Горячие электроны способствуют декомпозиции H₂О₂ в промежуточные O*, окисляющие TMB в синий oxTMB. Реализована эффективная детекция H₂O₂.

Из вставки Рис. 5b: линейный диапазон построенного нами H₂O₂ сенсора 10–100 мкМ, предел детекции 13,40 мкМ (LOD = 3σ/k, где σ и k — стандартное отклонение и наклон линейной калибровки восьми параллельных контрольных измерений. Здесь σ=2,97988×10⁻⁴, k=6,67×10⁻⁵). Следовательно, H₂O₂ сенсор на Pd NSs превосходит другие наноматериалы при введении света. Из Таблицы S2: при том же колориметрическом методе детекции H₂O₂ наш сенсор показывает широкий линейный диапазон. Предел детекции ниже многих сенсоров на Fe- или Co-базированных пероксидазных мимиках (Таблица S3). Наконец, провели H₂O₂ и серию контрольных экспериментов (Рис. 5c) с потенциальными интерференциями: K⁺, глюкоза, Na⁺, CO₃²⁻, Ca²⁺. Вставка Рис. 5c: абсорбция этих интерференций слаба при 652 нм, цвет не меняется. На основе результатов успешно реализован эффективный и высокоспецифический H₂O₂ сенсор на видимом свете. Этот сенсор не только полностью использует видимый свет для улучшения детекции, но и служит хорошим примером для других плазмонных металлов в сенсорике.

Заключение

Итог: продемонстрирован возбудительный пример применения ультратонких палладиевых нанолистов (Pd NSs) как высокоэффективной и светоконтролируемой пероксидазной мимикрии благодаря высокой плотности активных центров на поверхности нанолистов и уникальному оптическому свойству SPR. Под облучением видимым светом генерируемые горячие электроны Pd нанолистов через SPR способствуют последующей декомпозиции H₂O₂ в промежуточные O*. Под видимым светом такие нанозимы показывают значительно более высокую пероксидазно-подобную активность, чем в темноте. Светово-активированная система использована для усиленного биосенсирования H₂O₂. Базовая концепция, основанная на генерации горячих электронов через SPR на фотоактивированных Pd нанозимах, может способствовать дизайну умных или более эффективных искусственных ферментных систем и открыть новые возможности для химической промышленности и биотехнологий.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в этом исследовании, включены в опубликованную статью.

Аббревиатуры

Pd NSs:

Pd nanosheets (палладиевые нанолисты)

Ag:

Silver (серебро)

Au:

Gold (золото)

Pt:

Platinum (платина)

Pd:

Palladium (палладий)

SPR:

Surface plasmon resonance (поверхностный плазмонный резонанс)

TEM:

Transmission electron microscopy (проходная электронная микроскопия)

HRTEM:

High-resolution TEM (высокоразрешающий TEM)

XRD:

X-ray diffraction (рентгеновская дифракция)

HRP:

Horseradish peroxidase (перекись гидролаза)

Km:

Michaelis constant (константа Михаэлиса)

O₂⁻:

Superoxide (супероксид)