Ultradunne palladium nanozymes: licht-geactiveerde peroxidase mimicry voor precisie katalyse

Samenvatting

Licht-geactiveerde nanozymes kunnen een schat aan nieuwe mogelijkheden bieden voor de chemische industrie en biotechnologie. Echter, huidige op afstand gecontroleerde katalytische systemen zijn nog ver van bevredigend. Hier presenteren we een interessant voorbeeld van het toepassen van ultradunne Pd nanosheets (Pd NSs) als een licht-bestuurbare peroxidase mimic. Aangezien de meeste Pd atomen aan hun oppervlak blootgesteld zijn, bezitten Pd NSs met een dikte van 1,1 nm een hoge peroxidase-achtige activiteit. Belangrijker nog, onder lichtopwekking, kan deze intrinsieke activiteit verder geactiveerd worden met bijna 2,4- tot 3,2-voud. Een dergelijk fenomeen kan toegeschreven worden aan de unieke optische eigenschap van ultradunne Pd NSs, die efficiënt fotonen kunnen vangen om warme elektronen te genereren via oppervlakte plasmon resonantie effect en dus de in situ decompositie van H₂O₂ in reactieve zuurstofsoort radicalen (O*) bevorderen. Deze versterkte katalyse kan ook gebruikt worden voor real-time en hooggevoelige colorimetrische detectie van H₂O₂. We verwachten dat ons werk waardevolle inzichten kan bieden in het rationele ontwerp van kunstmatige nanozymes met controleerbare en efficiënte activiteit in biomedische diagnostiek, geneesmiddelafgifte, en milieuchemie.

Inleiding

Natuurlijke enzymen zijn uitmuntende biocatalysatoren die bijna elke chemische transformatie van het leven kunnen katalyseren. Echter, er bestaan nog inherentedefecten, zoals slechte stabiliteit en hoge kosten. Sinds magnetiet nanopartikelen met intrinsieke peroxidase-nacherende activiteit voor het eerst gerapporteerd werden, heeft het ontwerp en de ontwikkeling van nanomaterialen met enzym-achtige activiteiten (nanozymes) steeds groeiende onderzoeksandacht getrokken. Tot nu toe zijn een reeks oxide-, metaal-, en koolstof-gebaseerde nanomaterialen gebruikt om perhydrolase (HRP) na te bootsen. Onder deze, zijn edelmetaal nanomaterialen, zoals zilver (Ag), goud (Au), platina (Pt), en palladium (Pd), gerapporteerd om hoge peroxidase-nacherende activiteiten te bezitten. Aan de andere kant, is het introduceren van licht om de activiteit van nanozymes te activeren ook gerapporteerd, wat een schat aan mogelijkheden biedt voor de biotechnologie en chemische industrie. Echter, huidige op afstand gecontroleerde katalytische systemen zijn nog ver van bevredigend.

Plasmonische metaal nanomaterialen kunnen zonlicht vangen of erop reageren dankzij de unieke optische eigenschap van oppervlakte plasmon resonantie (SPR). Deze metaal nanomaterialen, die fotonen kunnen vangen om warme elektronen te genereren door SPR effect, zijn de sleutelmaterialen geworden voor het verbeteren van katalytische snelheid, het bevorderen van nieuwe optische sensing van biomoleculen, het ontwerpen van fotothermische therapie, en het gebruik van zonlicht als hernieuwbare energie. Echter, geen van hen richtte zich op het SPR effect van plasmonische metaal-gebaseerde nanozymes op hun enzym-nacherende activiteiten. Dus zou het aantrekkelijk zijn om plasmonische metaal-gebaseerde nanozymes te combineren met SPR effect om hoogactieve en licht-afstelbare enzymkatalyse te bereiken.

Hierin rapporteren we voor het eerst dat ultradunne Pd nanosheets (Pd NSs) met een dikte van ongeveer 1,1 nm kunnen dienen als een uitstekende en licht-bestuurbare peroxidase mimic. Pd-gebaseerde nanozyme en licht-gecontroleerde nanozyme systemen zijn gerapporteerd om meerdere enzym nacherende activiteiten te vertonen inclusief oxidase, peroxidase, catalase, en superoxide dismutase. Echter, hun structuren zijn doorgaans deeltjes, bulk, en staven. Zoals we alle weten, hebben ultradunne Pd NSs hoge oppervlakte energie, kleine laterale grootte, en hoge elektronen mobiliteit, wat resulteert in hoge dichtheid van actieve oppervlakte plaatsen. Daarnaast kunnen de meeste atomen blootgesteld aan ultradunne nanosheets dienen als een ideaal platform voor het ontwerpen van hun prestaties. Geïnspireerd door de unieke structuur van ultradunne nanosheets, presenteren we een strategie die niet alleen volledig gebruikmaakt van de actieve plaatsen van Pd atomen maar ook warme elektronen in het enzymkatalyseproces injecteert. Zoals getoond in Schema 1, kan de interactie van fotonen met ultradunne Pd NSs oppervlakte plasmon resonantie opwekken die non-radiatief vervalt in warme elektronen en gaten, wat de H₂O₂ in situ reductieve decompositie bevordert om zuurstofsoort radicalen (O*) te genereren met oxideren van TMB onder zichtbaar licht. Door zichtbaar licht in de enzymatische reactie te introduceren, vertonen de Pd NSs significant hogere katalytische activiteiten dan die van Pd NSs onder donkere condities.

Materialen en Experimenteel

Materialen en Karakterisaties

Citraatzuur (CA); N,N-dimetylformamide (DMF); 3,3,5,5-tetramethylbenzidine (TMB); en cetyltrimethylammonium bromde (CTAB) werden gekocht van Sigma Aldrich. Pd (II) acetylacetonaat, W(CO)₆, en polyvinypyrrolidon (PVP) werden verkregen van Macklin. Waterstofperoxide (H₂O₂, 30 wt%) werd gekocht van Beijing Chemicals (Beijing, China). Alle chemicaliën werden gebruikt zonder verdere zuivering. Experimenteel water gezuiverd door Millipore systeem (18,2 MΩ; Millipore Co., USA) werd doorheen het werk gebruikt.

De fasestructuren van de producten werden gekarakteriseerd door een PANalytical röntgendiffractometer die Cu Kα straling (λ = 1,5406 Å) gebruikte. En UV-vis diffuse reflectantie spectra (DRS) van de monsters werden gekarakteriseerd bij kamertemperatuur met behulp van de Lambda 750, PerkinElmer. De concentraties van katalysatoren in oplossingen werden bepaald door de ICP-AES (720, Agilent). Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) afbeeldingen werden opgenomen op JEM1400 plus transmissie elektronenmicroscoop bediend bij 100 kV. Hoge-resolutie TEM (HRTEM) analyses werden uitgevoerd op een JEM-2100F veldemissie transmissie elektronenmicroscoop (FE-TEM) bij 200 kV.

Synthese van Pd Nanosheets

Volgens de gerapporteerde methode, werden Pd NSs gesynthetiseerd. Kortom, Pd (II) acetylacetonaat (16 mg), PVP (MW = 24.000, 30 mg), CA (150 mg), en CTAB (60 mg) werden gemengd in DMF (10 mL) en geroerd in een stikstofatmosfeer gedurende 1 uur. Toen de kleur van de oplossing in de fles (25 mL) veranderde in een uniforme oranje-rode oplossing, werd 100 mg W(CO)₆ aan de oplossing toegevoegd onder een N₂ atmosfeer. Vervolgens werd de fles verwarmd bij 80 °C gedurende 1 uur. Na de reactie, werd het donkerblauwe product gescheiden door centrifugatie (9000 rpm/min, 3 min) met een voldoende hoeveelheid aceton en vervolgens gedispergeerd in ethanol. Dit proces werd drie keer herhaald. Ten slotte werden de Pd nanosheets gedispergeerd in 10 mL ethanol voor verdere experimenten.

Fotokatalytische Peroxidase-Nachering Meting

De peroxidase-nacherende activiteit van de Pd NSs nanozymes werd geëvalueerd door de oxidatie van TMB te meten. Een 300-W Xe lamp (CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China education Au-light Co., Ltd., Beijing) diende als de lichtbron, en het toevoegen van een glasfilter stelt het zichtbare licht (λ ≥ 400 nm) in staat door te laten. In een typisch experiment, werden 12,6 μg mL⁻¹ Pd NSs nanozymes (gemeten door ICP-AES) toegevoegd aan 1 mL fosforzuur bufferoplossing (0,1 M, pH 4) bevattende 50 mM H₂O₂ en 0,7 mM TMB bij kamertemperatuur. Tijdens de verschillende tijden onder bestraling, werd de peroxidase-nacherende activiteit bepaald door de karakteristieke absorptiepiek bij 652 nm te monitoren na centrifugatie, wat de concentratie van TMB oxidatieproducten aangeeft. Het controle-experiment had dezelfde condities behalve voor verlichting.

Resultaten en Discussie

Ontwerp en Karakterisering van de Pd NSs Nanozymes

Een typische synthese van palladium nanosheets werd voorbereid door een klassieke methode (Fig. 1a) om een reeks hoogactieve atomaire plaatsen ultradunne nanozymes te construeren die inherent substraten en fotonen vangen en efficiënte peroxide enzym-nachering kenmerken hebben. Figuur 1b-d tonen een typische lage-vergrößering transmissie elektronenmicroscopie (TEM) afbeelding van de gesynthetiseerde Pd NSs, waarin samengesteld uit uniforme nanosheets met laterale afmetingen van ongeveer 10,0 nm (Fig. 1b, inset) en de gemiddelde dikte van ongeveer 1,1 nm (Fig. 1c, inset). Volgens de grootte, is het oppervlaktepercentage van de boven- en onderplatte oppervlakte meer dan 90%. Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) wordt gebruikt om de morfologie en fase van Pd NSs verder te bevestigen. Figuur 1g toont de geschikte afstanden van ~ 0,22 en 0,256 nm voor de (111) en de (200) roostervlakken van palladium. Om aan de behoeften van het experiment te voldoen, werd het XRD patroon van Pd NSs gekarakteriseerd door te laden op commercieel koolstof. Zoals getoond in Fig. 1e, corresponderen de diffractiepieken op ongeveer 40,11, 46,65, en 68,12 met (111), (200), en (220) vlakken van kubische Pd NSs, wat consistent is met de observatie uit HRTEM. Bovendien geen pieken indicatief voor kristallijne fasen anders dan de pieken geassocieerd met het commerciële koolstof. Het Pd 3d spectrum vertoont twee pieken (Fig. 1f) Pd 3d₅/₂ en Pd 3d₃/₂ (resulterend uit de spin-orbit splitting), gelegen op respectievelijk 335,5 en 339,2 eV, wat onthulde dat er twee chemische omgevingen voor palladium atoom zijn.

Fotokatalytische Peroxidase-Nachering Activiteit

De peroxidase-achtige activiteit van de Pd NSs werd onderzocht door TMB te gebruiken als een typisch peroxidase substraat. Aangezien de meeste Pd atomen blootgesteld waren aan het oppervlak van ultradunne nanosheets, redeneren we dat ultradunne Pd NSs een hoge dichtheid van actieve oppervlakte plaatsen bezitten en dus resulteren in uitstekende katalytische activiteit. Zoals verwacht, in de coëxistentie van H₂O₂, kunnen Pd NSs efficiënt de oxidatie van kleurloos substraat TMB naar blauw product oxTMB katalyseren, met de karakteristieke absorptie bij 652 nm (Fig. 2a, b). Echter, zonder de toevoeging van H₂O₂, kan de activiteit van Pd NSs verwaarloosd worden onder dezelfde experimentele conditie, wat onthulde dat de peroxidase-achtige activiteit een belangrijke rol speelde tijdens de reactie. Vergelijkbaar met natuurlijke enzymen en andere nanozymes, hebben Pd nanozymes een pH-, temperatuur-, en concentratie-afhankelijke peroxidase activiteit (Fig. 2c en Fig. S1). Onder de experimentele conditie, toonden Pd NSs geoptimaliseerde katalytische activiteit in de zwakke zuur oplossing, en de karakteristieke absorptiepiek van de reactieoplossing was het hoogst bij 35 °C toen de temperatuur varieerde van 25 tot 75 °C (Fig. 2c). Verrassend, met of zonder lichtbestraaling, werd een significant verschil in peroxidase-nacherende activiteit waargenomen (Fig. 2d en Fig. S2). Volgens de absorptiewaarde van de reactieoplossing voor 60 min, vertoonde de activiteit van Pd NSs onder zichtbaar licht ongeveer 2,4~3,2 keer hoger dan die van Pd NSs onder donkere condities (Fig. 2d en Fig. S2). Op dezelfde manier kan de introductie van licht in het katalyseproces van andere plasmonische metaal nanopartikels ook hun peroxidase-achtige activiteit verhogen (Fig. S3-S5). Door vergelijking van deze nanozymes, vonden we dat Pd NSs het grootste bereik van activiteitsregulatie toonden. Een dergelijk fenomeen is voornamelijk te wijten 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 metaal nanomaterialen (Fig. 2e), en SPR effect kan een essentiële rol spelen in het katalytische proces.

Kinetisch en Mechanisme Onderzoek van Pd Nanozymes

Om het enzymatische gedrag van Pd NSs te karakteriseren, bepaalden we de enzymkinetiek theorie voor de reactie. Echter, binnen het geschikte concentratiebereik van TMB, presenteren Pd NSs een typische Michaelis-Menten curve (Fig. 3a). De Michaelis constante (Km) en de maximale reactiesnelheid (Vmax) werden verkregen door de Lineweaver-Burk vergelijking te gebruiken, zoals getoond in Tabel S1. Vergeleken met perhydrolase (HRP), werd de schijnbare Km waarde van de Pd NSs met TMB verzwakt door 0,28 (Fig. 3a, b en Tabel S1). Dit resultaat geeft aan dat de ultradunne bladstructuur van as-voorbereide Pd NSs een hoge affiniteit voor TMB vertoont, zelfs hoger dan die van natuurlijk enzym HRP.

Aangezien het duidelijk is dat H₂O₂ kan worden gedecomponeerd om reactieve zuurstofsoorten te vormen met Pd NSs, is het cruciaal te begrijpen welke soorten geproduceerd worden om een oxidatiefunctie te bieden. In principe, kunnen edelmetalen de decompositie van H₂O₂ katalyseren om •OH en reactie-intermediairen O* bij lagere pH condities te vormen, die allebei de soorten kunnen zijn die oxidatiefunctie bieden in enzym-nacherende reacties. Om het mogelijke katalytische mechanisme van Pd NSs te begrijpen, gebruikten we eerst tereftalaat (TA)/H₂O₂ systeem om te testen of de peroxidase-achtige kenmerken van Pd NSs gerelateerd zijn aan de vorming van •OH radicalen (Fig. 4a). Door TA als een fluorescente probe te gebruiken, werd een hoog fluorescerend product geproduceerd door de reactie van 2-hydroxytereftalaat met •OH. Zoals getoond in Fig. 4b, daalt de fluorescentie-intensiteit van de oplossing significant na toevoeging van Pd NSs. De resultaten zijn in goede overeenstemming met de fluorescentie-intensiteit die daalt met de toename van Pd NSs concentratie (Fig. S6). Deze resultaten geven aan dat Pd NSs •OH radicalen kunnen consumeren in plaats van ze te genereren. Daarom, vergelijkbaar met het gerapporteerde katalytische gedrag van ferritine-platina nanopartikelen, was de katalytische prestatie van onze Pd NSs onafhankelijk van de vorming van •OH radicaal.

Om te onderzoeken of het katalytische mechanisme van Pd NSs gerelateerd is aan de vorming van warme elektronen door licht, verkenden we ook het vangexperiment van actieve soorten warme elektronen tijdens de fotokatalytische reactie (Fig. 4c). Zoals te zien is uit Fig. 4d, daalt de katalytische capaciteit van Pd NSs ten aanzien van TMB oxidatie significant binnen 15 min door de toevoeging van 0,3 mg/mL KBrO₃ (een kweller van e⁻). Een dergelijk groot verschil tussen het KBrO₃/reactiesysteem en het zuivere systeem onthult dat de aanwezigheid van warme elektronen cruciaal kan zijn voor TMB oxidatie. Dit is in overeenstemming met de resultaten van Fig. S7 dat Pd NSs een brede absorptiepiek hebben door SPR effect in het spectrale bereik van 500–1000 nm. Bovendien, zodra warme elektronen weggingen van het oppervlak van Pd NSs, zijn er overeenkomende gaten achtergelaten op hun oppervlak. Aangezien deze gaten ethanol kunnen oxideren tot acetaldehyde, kunnen ze ook krachtige oxidatievermogen hebben tegenover TMB. Zoals verwacht, zonder de toevoeging van H₂O₂, werd meer oxTMB gecreëerd onder de verlichting van zichtbaar licht.

Vervolgens testen we of reactieve zuurstofsoorten gevormd werden door de activatie 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 nacherende enzymen niet significant wanneer we stikstof en zuurstof introduceren met verzadiging van het reactiesysteem, respectievelijk, wat niet aanzienlijk beïnvloed wordt door O₂ voor de fotokatalytische activiteit van Pd NSs. Het is essentieel op te merken dat de uiteindelijke prestatie van Pd NSs, zelfs tot 0,051 a.u./min voor 5 min onder zichtbaar licht, 3,2 keer hoger was dan die van de Pd NSs katalysatoren in het donker (Fig. 2d). De extreme hoge activiteit van Pd nanozyme onder zichtbaar leidt tot de hypothese dat het bestaan van warme elektronen door het SPR effect van Pd NSs de vorming van reactie-intermediairen O* in plaats van vrije radicalen bevordert voor een peroxidase-achtige activiteit (Fig. 5a). Kortom, het vangexperiment van actieve soorten en ventilatie-experiment bieden stevige ondersteuning voor het fotokatalytische nacherende enzym mechanisme van Pd NSs.

Een Nieuwe Real-Time en Hooggevoelige Sensor

Dit werd gedemonstreerd in verschillende studies dat de introductie van licht in de sensor als invoer van externe energie de prestaties van de sensor kan verbeteren. Bijvoorbeeld, vonden Ling et al. dat de O₂ sensoreigenschappen van de 10 at.% LaOCl-SnO₂ sensor significant verbeterd werden door ultraviolette lichtverlichting. Overwegend de significante invloed van licht op de sensor en de uitstekende peroxidase-nacherende activiteit van Pd NSs onder zichtbaar licht in onze experimenten, werd een effectieve en gevoelige colorimetrische sensor H₂O₂ gebouwd. Het mechanisme van de sensor (Fig. 5a) toont aan dat Pd NSs volledig gebruik kan maken van zijn grote specifieke oppervlakte om fotonen te vangen en een groot aantal warme elektronen te genereren. Daarna bevordert de warme elektron de decompositie van H₂O₂ om reactie-intermediairen O* te produceren, die TMB kunnen oxideren tot blauwe oxTMB. Ten slotte werd de efficiënte detectie van H₂O₂ gerealiseerd.

Zoals te zien is uit de inset van Fig. 5b, was het lineaire bereik van de door ons gebouwde H₂O₂ sensor van 10 tot 100 μM, en de berekening van detectielimiet was 13,40 μM (LOD = 3s/k, waar s en k de lineaire kalibratieblokken van de relatieve standaarddeviatie en helling van acht parallele controlemetingen vertegenwoordigen, respectievelijk. In dit werk, s = 2,97988 × 10⁻⁴, k = 6,67 × 10⁻⁵). Daarom was de waterstofperoxide sensor gebaseerd op Pd NSs superieur aan andere gerapporteerde nanomaterialen onder de conditie van het introduceren van licht. Uit Tabel S2, kan gezien worden dat met dezelfde colorimetrische methode om waterstofperoxide te detecteren, onze sensor een breed bereik van lineariteit toont. En de detectielimiet was lager dan veel sensoren gebaseerd op Fe-gebaseerde of Co-gebaseerde peroxidase mimics (Tabel S3). Ten slotte voerden we H₂O₂ en een reeks controle-experimenten uit (Fig. 5c) met potentiële interferenties zoals K⁺, glucose, Na⁺, CO₃²⁻, en Ca²⁺. Zoals getoond in de inset van Fig. 5c, is het duidelijk dat de absorbantie van deze interferenties zwak is bij 652 nm, en de kleur verandert niet. Gebaseerd op onze resultaten, is een efficiënte en hoogspecifieke waterstofperoxide sensor gebaseerd op zichtbaar licht met succes gerealiseerd. Deze sensor maakt niet alleen volledig gebruik van zichtbaar licht om zijn detectieprestaties te verbeteren, maar biedt ook een goed voorbeeld voor andere plasmonische metalen in de sensor.

Conclusies

Samenvattend, hebben we een opwindend voorbeeld gedemonstreerd van het toepassen van ultradunne Pd nanosheets (Pd NSs) als een hoge-efficiënte en licht-bestuurbare peroxidase mimic, dankzij een hoge dichtheid van actieve plaatsen op het oppervlak van nanosheets en unieke optische eigenschap van SPR. Met de bestraling van zichtbaar licht, kunnen de gegenereerde warme elektronen van Pd nanosheets via SPR effect vervolgens H₂O₂ decomponeren om intermediairen O* te produceren. Onder zichtbare lichtbestraaling, vertoonden dergelijke nanozymes veel hogere peroxidase-achtige activiteit dan die in het donker. Een dergelijk licht-geactiveerd systeem werd verder gebruikt voor de verbeterde biosensing van H₂O₂. Het basisconcept gepresenteerd hier, gebaseerd op de generatie van warme elektronen door SPR effect op de foto-geactiveerde Pd nanozymes, kan bijdragen aan het ontwerp van slimme of efficiëntere kunstmatige enzymsystemen en veel nieuwe mogelijkheden bieden voor de chemische industrie en biotechnologie.