Hete-elektron-geactiveerde peroxidase-nabootsende activiteit van ultradunne Pd-nanozymen

Resultaten en discussie

Ontwerp en karakterisering van de Pd NSs-nanozymen

Een typische synthese van palladium-nanobladen werd bereid door middel van een klassieke methode (Fig. 1a) om een ​​reeks zeer actieve atomaire plaatsen te construeren, ultradunne nanozymen met inherente substraten en fotonen die en efficiënte peroxide-enzym-nabootsende kenmerken hebben. Figuur 1 b-d toont een typisch transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeld met lage vergroting van de gesynthetiseerde Pd NS's, die zijn samengesteld uit uniforme nanobladen met laterale afmetingen van ongeveer 10,0 nm (figuur 1b, inzet) en de gemiddelde dikte van ongeveer 1,1 nm (Fig. 1c, inzet). Afhankelijk van de grootte is het oppervlaktepercentage van het bovenste en onderste vlakke oppervlak meer dan 90%. Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) wordt gebruikt om de morfologie en fase van Pd NS's verder te bevestigen. Figuur 1 g toont de juiste afstanden van ~ 0,22 en 0,256 nm voor de (111) en de (200) roostervlakken van palladium [27]. Om aan de behoeften van het experiment te voldoen, werd het XRD-patroon van Pd NS's gekenmerkt door lading op commerciële koolstof. Zoals getoond in Fig. 1e, komen de diffractiepieken rond 40.11, 46.65 en 68.12 overeen met (111), (200) en (220) vlakken van kubieke Pd NS's, wat consistent is met de waarneming van HRTEM. Bovendien zijn er geen andere pieken die wijzen op kristallijne fasen dan de pieken die verband houden met de commerciële koolstof. Het Pd 3d-spectrum vertoont twee pieken (Fig. 1f) Pd 3d_5/2 en Pd 3d_3/2 (als gevolg van de splitsing van de spin-baan), gelokaliseerd op respectievelijk 335,5 en 339,2 eV [25], waaruit bleek dat er twee chemische omgevingen zijn voor het palladiumatoom.

Karakterisering van de nanozymen. een Groeimechanisme van Pd nanozymen. b , c , en d TEM. e XRD-patronen. v Pd 3d XPS-spectrum van Pd NS's. g HRTEM-afbeelding van Pd NS's

Fotokatalytische peroxidase-nabootsende activiteit

De peroxidase-achtige activiteit van de Pd NS's werd onderzocht door TMB te gebruiken als een typisch peroxidasesubstraat. Omdat de meeste Pd-atomen werden blootgesteld aan het oppervlak van ultradunne nanosheets, redeneren we dat ultradunne Pd NS's een hoge dichtheid aan actieve oppervlakteplaatsen hebben en dus resulteren in uitstekende katalytische activiteit. Zoals verwacht, in het naast elkaar bestaan ​​van H₂ O₂ , Pd NS's kunnen de oxidatie van kleurloos substraat TMB tot blauw product oxTMB efficiënt katalyseren, met de karakteristieke absorptie bij 652 nm (Fig. 2a, b). Echter, zonder de toevoeging van H₂ O₂ , kan de activiteit van Pd NS's worden verwaarloosd onder dezelfde experimentele omstandigheden, waaruit bleek dat de peroxidase-achtige activiteit een belangrijke rol speelde tijdens de reactie. Net als natuurlijke enzymen en andere nanozymen, hebben Pd-nanozymen een pH-, temperatuur- en concentratieafhankelijke peroxidase-activiteit (Fig. 2c en Fig. S1). Onder de experimentomstandigheden vertoonden Pd NS's geoptimaliseerde katalytische activiteit in de zwakzure oplossing en de karakteristieke absorptiepiek van de reactieoplossing was het hoogst bij 35 ° C wanneer de temperatuur varieerde van 25 tot 75 ° C (figuur 2c). Verrassend genoeg werd met of zonder lichtbestraling een significant verschil in peroxidase-nabootsende activiteit waargenomen (Fig. 2d en Fig. S2). Volgens de absorptiewaarde van de reactieoplossing gedurende 60 min, vertoonde de activiteit van Pd NS's onder zichtbaar licht ongeveer 2,4 ~ 3,2 keer hoger dan die van Pd NS's onder donkere omstandigheden (Fig. 2d en Fig. S2). Evenzo kan de introductie van licht in het katalyseproces andere plasmonische metalen nanodeeltjes ook hun peroxidase-achtige activiteit verhogen (Fig. S3-S5). Door deze nanozymen te vergelijken, ontdekten we dat Pd NS's het grootste bereik van activiteitsregulatie vertoonden. Een dergelijk fenomeen is vooral te danken aan de unieke structuur van de ultradunne nanosheet. Uit deze verkregen resultaten kunnen we afleiden dat zichtbaar licht een direct effect heeft op de peroxidase-achtige activiteit van alle plasmonische metalen nanomaterialen (Fig. 2e), en het SPR-effect kan een essentiële rol spelen in het katalytische proces.

De peroxidase-nabootsende activiteit van Pd NS's. a-b Typische UV-zichtbare absorptiespectra van verschillende monsters onder zichtbaar licht en donkere omstandigheden. c Temperatuur- en pH-effect op peroxidase-nabootsende activiteit. d Tijdcursussen voor peroxidase-nabootsende activiteit. e Het peroxidase-achtige mechanisme van Pd NS's onder donker en zichtbaar licht. Experimentele omstandigheden:zichtbaar licht =λ ≥ 400 nm, TMB =0,7 mM, H₂ O₂ =50 mM, temperatuur =25 °C, Pd NSs =12,6 μg/mL en fosfaatbufferoplossing (0,1 M, pH 4)

Kinetisch en mechanisme-onderzoek van Pd-nanozymen

Om het enzymatische gedrag van Pd NS's te karakteriseren, hebben we de enzymkinetiektheorie voor de reactie bepaald. Binnen het geschikte concentratiebereik van TMB vertonen Pd NS's echter een typische Michaelis-Menten-curve (figuur 3a). De Michaelis-constante (Km) en de maximale reactiesnelheid (Vmax) werden verkregen met behulp van de Lineweaver Burk-vergelijking, zoals weergegeven in tabel S1. Vergeleken met mierikswortelperoxidase (HRP) was de schijnbare Km-waarde van de Pd NS's met TMB verzwakt met 0, 28 (Fig. 3a, b en Tabel S1). Dit resultaat geeft aan dat de ultradunne bladstructuur van als bereid Pd NS's een hoge affiniteit voor TMB vertoont, zelfs hoger dan die van het natuurlijke enzym HRP.

Steady-state kinetische test en katalytisch mechanisme van Pd NS's (12,6  μg / ml). een De concentratie van H₂ O₂ was 50 mM en de TMB-concentratie was gevarieerd (0,1-1,5 mM). b Dubbele wederzijdse plots voor TMB

Aangezien het duidelijk is dat H₂ O₂ kan worden afgebroken om reactieve zuurstofsoorten te vormen met Pd NS's, het is cruciaal om te begrijpen welke soorten worden geproduceerd om een ​​oxidatiefunctie te bieden. In principe kunnen edele metalen de ontleding van H₂ . katalyseren O₂ om •OH te vormen, en reactietussenproducten O* bij lagere pH-omstandigheden [28], die beide de soorten kunnen zijn die de oxidatiefunctie verschaffen in enzym-mimetische reacties. Om het mogelijke katalytische mechanisme van Pd NS's te begrijpen, gebruikten we eerst tereftaalzuur (TA)/H₂ O₂ systeem om te testen of de peroxidase-achtige kenmerken van Pd NS's verband houden met de vorming van •OH-radicalen (Fig. 4a). Met TA als fluorescerende probe werd een sterk fluorescerend product geproduceerd door de reactie van 2-hydroxytereftaalzuur met •OH [29]. Zoals getoond in Fig. 4b, neemt de fluorescentie-intensiteit van de oplossing significant af na toevoeging van Pd NSs. De resultaten komen goed overeen met de fluorescentie-intensiteit die afnam met de toename van de Pd NSs-concentratie (Fig. S6). Deze resultaten geven aan dat Pd NS's OH-radicalen kunnen consumeren in plaats van ze te genereren. Vandaar dat, vergelijkbaar met het gerapporteerde katalytische gedrag van ferritine-platina-nanodeeltjes [30], de katalytische prestaties van onze Pd NS's onafhankelijk waren van de vorming van •OH-radicaal.

een Mechanismediagram van tereftaalzuur (TA) dat hydroxylradicalen (•OH) invangt. Spectra van monsters die fosfaatbuffer bevatten (0,1 M, pH 4), H₂ O₂ (50 mM), en zichtbaar licht (λ ≥ 400 nm, 15 min). b De fluorescentie-emissiespectra in aanwezigheid van Pd NSs (12,6 g/mL) en TA (66,7 M). c Mechanismediagram van KBrO₃ hete elektronica vastleggen. d Het absorptiespectrum in aanwezigheid van Pd NSs (12.6 μg/mL), KBrO₃ (0,3 mg/ml) en TMB (0,7 mM)

Om te onderzoeken of het katalytische mechanisme van Pd NS's verband houdt met de vorming van hete elektronen door licht, onderzoeken we ook het invangexperiment van hete elektronen van actieve soorten tijdens de fotokatalytische reactie (Fig. 4c) [31]. Zoals te zien is in figuur 4d, neemt het katalytische vermogen van Pd NS's naar TMB-oxidatie significant af binnen 15 min door de toevoeging van 0,3  mg / ml KBrO₃ (een quencher van e ⁻ ). Zo'n enorm verschil tussen de KBrO₃ /reactiesysteem en puur systeem onthult dat de aanwezigheid van hete elektronen van cruciaal belang kan zijn voor TMB-oxidatie. Dit is in overeenstemming met de resultaten van Fig. S7 dat Pd NS's een brede absorptiepiek hebben door SPR-effect in het spectrale bereik van 500-1000 nm [25]. Trouwens, zodra hete elektronen zich van het oppervlak van Pd NS's hebben verwijderd, blijven er overeenkomstige gaten op hun oppervlak achter. Omdat deze gaten ethanol kunnen oxideren om aceetaldehyde te produceren, kunnen ze ook een krachtig oxidatievermogen hebben naar TMB. Zoals verwacht, zonder toevoeging van H₂ O₂ , er is meer oxTMB gemaakt onder de verlichting van zichtbaar licht.

Vervolgens testen we of reactieve zuurstofsoorten werden gevormd door de activering van O₂ onder zichtbaar licht, inclusief superoxide (O₂ ⁻ ). In het licht hiervan werden gecontroleerde experimenten uitgevoerd onder verschillende atmosferen. Voor Fig. S8 verandert de katalytische prestatie van mimetische enzymen niet significant wanneer we stikstof en zuurstof introduceren met respectievelijk verzadiging van het reactiesysteem, dat niet aanzienlijk wordt beïnvloed door de O₂ voor de fotokatalytische activiteit van Pd NSs. Het is essentieel om erop te wijzen dat de uiteindelijke prestatie van Pd NS's, zelfs tot 0, 051 a.u. / min gedurende 5 min onder zichtbaar licht, 3, 2 keer hoger was dan die van de Pd NSs-katalysatoren in het donker (figuur 2d). De extreem hoge activiteit van Pd nanozyme onder zichtbaar licht leidt tot de hypothese dat het bestaan ​​van hete elektronen door het SPR-effect van Pd NS's die de vorming van reactietussenproducten O * in plaats van vrije radicalen bevorderen, verantwoordelijk zijn voor een peroxidase-achtige activiteit (figuur 5a). ) [28]. Kortom, het vangexperiment van actieve soorten en het ventilatie-experiment bieden stevige ondersteuning voor het fotokatalytische mimetische enzymmechanisme van Pd NS's.

een Schematisch diagram van een sensor voor H₂ O₂ detectie. b Dosis-responscurve van verschillende waterstofperoxideconcentraties. Experimentele omstandigheden:Pd nanozyme (25,2 μg/mL), fosfaatbuffer (0,1 M, pH 4) en TMB (0,7 mM) zichtbaar licht verlichting (λ ≥ 400 nm, 3 min). Inzet:lineaire kalibratieplots. c Interferentie van andere onzuiverheden op de absorptie van H₂ O₂ colorimetrische sensor bij 652 nm. Experimentele omstandigheden:Pd nanozyme (25,2 μg/mL), fosfaatbuffer (0,1 M, pH 4), TMB (0,7 mM), zichtbaar licht verlichting (λ ≥ 400 nm, 15 min), en inclusief 50 mM H₂ O₂ , 200 mM glucose, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , en CO₃ ²⁻ , en de inzet toont de kleurveranderingen van reactieoplossingen

Een nieuwe realtime en zeer gevoelige sensor

Dit werd in verschillende onderzoeken aangetoond dat de introductie van licht in de sensor als input van externe energie de prestaties van de sensor kan verbeteren [22, 32, 33]. Bijvoorbeeld Ling et al. [32] ontdekte dat O₂ detectie-eigenschappen van de 10 at. % LaOCl-SnO₂ sensor werd aanzienlijk verbeterd door ultraviolet licht. Gezien de significante invloed van licht op de sensor en de uitstekende peroxidase-nabootsende activiteit van Pd NS's onder zichtbaar licht in onze experimenten, is een effectieve en gevoelige colorimetrische sensor H₂ O₂ was gebouwd. Het mechanisme van de sensor (Fig. 5a) laat zien dat Pd NS's volledig gebruik kunnen maken van het grote specifieke oppervlak om fotonen te vangen en een groot aantal hete elektronen te genereren. Daarna bevordert het hete elektron de ontleding van H₂ O₂ om reactietussenproducten O* te produceren, die TMB kunnen oxideren tot blauwe oxTMB. Eindelijk, de efficiënte detectie van H₂ O₂ werd gerealiseerd.

Zoals te zien is aan de inzet van figuur 5b, is het lineaire bereik van de geconstrueerde H₂ O₂ sensor door ons was van 10 tot 100 μM, en de berekening van de detectielimiet was 13,40 μM (LOD =3 s /k , waar s en k vertegenwoordigen de lineaire kalibratieblokken van respectievelijk de relatieve standaarddeviatie en helling van acht parallelle controlemetingen. In dit werk, s =2.97988 × 10 ⁻⁴ , k =6.67 × 10 ⁻⁵ ). Daarom was de waterstofperoxidesensor op basis van Pd NS's superieur aan andere gerapporteerde nanomaterialen onder de voorwaarde van het introduceren van licht. Uit tabel S2 blijkt dat met dezelfde colorimetrische methode om waterstofperoxide te detecteren, en onze sensor een breed scala aan lineariteit vertoont [34]. En de detectielimiet was lager dan bij veel sensoren op basis van Fe- of Co-gebaseerde peroxidase-nabootsers (Tabel S3) [35, 36]. Ten slotte hebben we H₂ . uitgevoerd O₂ en een reeks controle-experimenten (Fig. 5c) met potentiële interferenties zoals K ⁺ , glucose, Na ⁺ , CO₃ ²⁻ , en Ca ²⁺ . Zoals getoond in de inzet van figuur 5c, is het duidelijk dat de absorptie van deze interferenties zwak is bij 652 nm, en de kleur verandert niet. Op basis van onze resultaten is met succes een efficiënte en zeer specifieke waterstofperoxidesensor op basis van zichtbaar licht gerealiseerd. Deze sensor maakt niet alleen volledig gebruik van zichtbaar licht om de detectieprestaties te verbeteren, maar is ook een goed voorbeeld voor andere plasmonische metalen in de sensor.