Heiße-Elektronen-aktivierte Peroxidase-imitierende Aktivität von ultradünnen Pd-Nanozymen

Ergebnisse und Diskussion

Design und Charakterisierung der Pd-NSs-Nanozyme

Eine typische Synthese von Palladium-Nanoblättern wurde durch ein klassisches Verfahren (Abb. 1a) hergestellt, um eine Reihe von ultradünnen Nanozymen mit hochaktiven Atomzentren zu konstruieren, die inhärente Substrate und Photoneneinfang und effiziente Peroxid-Enzym-Nachahmungseigenschaften aufweisen. Abbildung 1 b–d zeigen ein typisches Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)-Bild mit geringer Vergrößerung der synthetisierten Pd-NSs, die aus einheitlichen Nanoblättern mit lateralen Abmessungen von etwa 10,0 nm (Abb. 1b, Einschub) und einer durchschnittlichen Dicke von etwa 1,1 nm (Abb. 1c, Einschub). Je nach Größe beträgt der Flächenanteil der oberen und unteren ebenen Fläche über 90 %. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) wird verwendet, um die Morphologie und Phase von Pd-NSs weiter zu bestätigen. Abbildung 1 g zeigt die geeigneten Abstände von ~ 0,22 und 0,256 nm für die (111)- und (200)-Gitterebene von Palladium [27]. Um die Anforderungen des Experiments zu erfüllen, wurde das XRD-Muster von Pd-NSs durch Beladung mit kommerziellem Kohlenstoff charakterisiert. Wie in Abb. 1e gezeigt, entsprechen die Beugungspeaks bei etwa 40,11, 46,65 und 68,12 (111), (200) und (220) Ebenen kubischer Pd-NSs, was mit der Beobachtung von HRTEM übereinstimmt. Darüber hinaus gibt es keine anderen Peaks als die Peaks, die mit dem kommerziellen Kohlenstoff verbunden sind, die auf kristalline Phasen hinweisen. Das Pd 3d-Spektrum weist zwei Peaks auf (Abb. 1f) Pd 3d_5/2 und Pd 3d_3/2 (resultierend aus der Spin-Bahn-Aufspaltung) bei 335,5 bzw. 339,2 eV [25], was zeigte, dass es zwei chemische Umgebungen für Palladiumatome gibt.

Charakterisierung der Nanozyme. a Wachstumsmechanismus von Pd-Nanozymen. b , c , und d TEM. e XRD-Muster. f Pd-3d-XPS-Spektrum von Pd-NSs. g HRTEM-Bild von Pd-NSs

Photokatalytische Peroxidase-imitierende Aktivität

Die Peroxidase-ähnliche Aktivität der Pd-NSs wurde unter Verwendung von TMB als typischem Peroxidase-Substrat untersucht. Da die meisten Pd-Atome auf der Oberfläche ultradünner Nanoblätter exponiert waren, schlussfolgern wir, dass ultradünne Pd-NSs eine hohe Dichte an aktiven Oberflächenzentren aufweisen und somit zu einer ausgezeichneten katalytischen Aktivität führen. Wie erwartet, in der Koexistenz von H₂ O₂ , können Pd-NSs effizient die Oxidation von farblosem Substrat TMB zum blauen Produkt oxTMB mit der charakteristischen Absorption bei 652 nm katalysieren (Abb. 2a, b). Jedoch ohne die Zugabe von H₂ O₂ , kann die Aktivität von Pd-NSs unter den gleichen experimentellen Bedingungen vernachlässigt werden, was zeigte, dass die Peroxidase-ähnliche Aktivität während der Reaktion eine wichtige Rolle spielte. Ähnlich wie natürliche Enzyme und andere Nanozyme besitzen Pd-Nanozyme eine pH-, temperatur- und konzentrationsabhängige Peroxidaseaktivität (Abb. 2c und Abb. S1). Unter den Versuchsbedingungen zeigten Pd-NSs eine optimierte katalytische Aktivität in der schwachen Säurelösung, und der charakteristische Absorptionspeak der Reaktionslösung war bei 35 °C am höchsten, wenn die Temperatur von 25 bis 75 °C variierte (Abb. 2c). Überraschenderweise wurde mit oder ohne Lichtbestrahlung ein signifikanter Unterschied in der Peroxidase-nachahmenden Aktivität beobachtet (Abb. 2d und Abb. S2). Entsprechend dem Absorptionswert der Reaktionslösung für 60 min war die Aktivität von Pd-NSs unter sichtbarem Licht etwa 2,4–3,2 mal höher als die von Pd-NSs unter dunklen Bedingungen (Abb. 2d und Abb. S2). In ähnlicher Weise kann die Einbringung von Licht in den Katalyseprozess auch andere plasmonische Metallnanopartikel ihre Peroxidase-ähnliche Aktivität erhöhen (Abb. S3–S5). Beim Vergleich dieser Nanozyme fanden wir, dass Pd-NSs den größten Bereich der Aktivitätsregulation aufwiesen. Ein solches Phänomen ist hauptsächlich auf die einzigartige Struktur des ultradünnen Nanoblatts zurückzuführen. Aus diesen Ergebnissen können wir schließen, dass sichtbares Licht einen direkten Einfluss auf die Peroxidase-ähnliche Aktivität aller plasmonischen Metall-Nanomaterialien hat (Abb. 2e) und der SPR-Effekt eine wesentliche Rolle im katalytischen Prozess spielen könnte.

Die Peroxidase-nachahmende Aktivität von Pd-NSs. a-b Typische UV-Vis-Absorptionsspektren verschiedener Proben unter sichtbaren Licht- und Dunkelbedingungen. c Temperatur- und pH-Effekt auf die Peroxidase-nachahmende Aktivität. d Zeitverläufe für Peroxidase-nachahmende Aktivität. e Der Peroxidase-ähnliche Mechanismus von Pd-NSs unter dunklem und sichtbarem Licht. Versuchsbedingungen:sichtbares Licht =λ ≥ 400 nm, TMB =0,7 mM, H₂ O₂ =50 mM, Temperatur =25 °C, Pd NSs =12,6 μg/ml und Phosphatpufferlösung (0,1 M, pH 4)

Kinetik- und Mechanismusuntersuchung von Pd-Nanozymen

Um das enzymatische Verhalten von Pd-NSs zu charakterisieren, haben wir die Enzymkinetiktheorie für die Reaktion bestimmt. Innerhalb des geeigneten Konzentrationsbereichs von TMB zeigen Pd-NSs jedoch eine typische Michaelis-Menten-Kurve (Abb. 3a). Die Michaelis-Konstante (Km) und die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) wurden unter Verwendung der Lineweaver-Burk-Gleichung erhalten, wie in Tabelle S1 gezeigt. Im Vergleich zur Meerrettichperoxidase (HRP) war der scheinbare Km-Wert der Pd-NSs mit TMB um 0,28 abgeschwächt (Abb. 3a, b und Tabelle S1). Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die ultradünne Blattstruktur von Pd-NSs wie hergestellt eine hohe Affinität zu TMB aufweist, sogar höher als die des natürlichen Enzyms HRP.

Kinetischer Steady-State-Assay und katalytischer Mechanismus von Pd-NSs (12,6 µg/mL). a Die Konzentration von H₂ O₂ betrug 50 µM, und die TMB-Konzentration wurde variiert (0,1–1,5 µM). b Doppelte reziproke Plots für TMB

Da klar ist, dass H₂ O₂ mit Pd-NSs in reaktive Sauerstoffspezies zerlegt werden können, ist es entscheidend zu verstehen, welche Spezies produziert werden, um eine Oxidationsfunktion bereitzustellen. Grundsätzlich können Edelmetalle die Zersetzung von H₂ . katalysieren O₂ zur Bildung von •OH und Reaktionszwischenprodukten O* bei niedrigeren pH-Bedingungen [28], von denen jede die Spezies sein kann, die eine Oxidationsfunktion in enzymmimetischen Reaktionen bereitstellt. Um den möglichen katalytischen Mechanismus von Pd-NSs zu verstehen, verwendeten wir zunächst Terephthalsäure (TA)/H₂ O₂ System, um zu testen, ob die Peroxidase-ähnlichen Eigenschaften von Pd-NSs mit der Bildung von •OH-Radikalen zusammenhängen (Abb. 4a). Unter Verwendung von TA als Fluoreszenzsonde wurde durch die Reaktion von 2-Hydroxyterephthalsäure mit •OH ein stark fluoreszierendes Produkt hergestellt [29]. Wie in 4b gezeigt, nimmt die Fluoreszenzintensität der Lösung nach der Zugabe von Pd NSs deutlich ab. Die Ergebnisse stimmen gut mit der Fluoreszenzintensität überein, die mit der Zunahme der Pd-NSs-Konzentration abnimmt (Abb. S6). Diese Ergebnisse zeigen, dass Pd-NSs •OH-Radikale verbrauchen können, anstatt sie zu erzeugen. Daher war die katalytische Leistung unserer Pd-NSs, ähnlich dem berichteten katalytischen Verhalten von Ferritin-Platin-Nanopartikeln [30], unabhängig von der Bildung von •OH-Radikalen.

a Mechanismusdiagramm der Terephthalsäure (TA), die Hydroxylradikale (•OH) einfängt. Spektren von Proben mit Phosphatpuffer (0,1 M, pH 4), H₂ O₂ (50 mM) und Beleuchtung mit sichtbarem Licht (λ ≥ 400 nm, 15 min). b Die Fluoreszenzemissionsspektren in Gegenwart von Pd NSs (12,6 µg/mL) und TA (66,7 µM). c Mechanismusdiagramm von KBrO₃ Erfassen heißer Elektronik. d Das Absorptionsspektrum in Gegenwart von Pd NSs (12.6 μg/mL), KBrO₃ (0,3 µg/ml) und TMB (0,7 µmM)

Um zu untersuchen, ob der katalytische Mechanismus von Pd-NSs mit der Bildung heißer Elektronen durch Licht zusammenhängt, untersuchen wir auch das Einfangexperiment von heißen Elektronen aktiver Spezies während der photokatalytischen Reaktion (Abb. 4c) [31]. Wie aus Abb. 4d ersichtlich, nimmt die katalytische Fähigkeit von Pd-NSs gegenüber der TMB-Oxidation innerhalb von 15 min durch die Zugabe von 0,3 mg/ml KBrO₃ . deutlich ab (ein Quencher von e ⁻ ). Ein so großer Unterschied zwischen KBrO₃ /Reaktionssystem und reines System zeigt, dass die Anwesenheit heißer Elektronen für die TMB-Oxidation kritisch sein könnte. Dies stimmt mit den Ergebnissen von Abb. S7 überein, dass Pd-NSs durch den SPR-Effekt einen breiten Absorptionspeak im Spektralbereich von 500–1000 nm aufweisen [25]. Außerdem bleiben, sobald sich heiße Elektronen von der Oberfläche von Pd-NSs wegbewegen, entsprechende Löcher auf ihrer Oberfläche zurück. Da diese Löcher Ethanol zu Acetaldehyd oxidieren können, könnten sie auch eine starke Oxidationsfähigkeit gegenüber TMB aufweisen. Wie erwartet, ohne Zugabe von H₂ O₂ , wurde mehr oxTMB unter der Beleuchtung von sichtbarem Licht erzeugt.

Als nächstes testen wir, ob durch die Aktivierung von O₂ . reaktive Sauerstoffspezies gebildet wurden unter sichtbarem Licht, einschließlich Superoxid (O₂ ⁻ ). Vor diesem Hintergrund wurden kontrollierte Experimente unter verschiedenen Atmosphären durchgeführt. Für Abb. S8 ändert sich die katalytische Leistung mimetischer Enzyme nicht signifikant, wenn wir Stickstoff bzw. Sauerstoff unter Sättigung des Reaktionssystems einführen, das durch das O₂ . nicht wesentlich beeinflusst wird für die photokatalytische Aktivität von Pd-NSs. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die endgültige Leistung von Pd-NSs sogar bis zu 0,051 a.u./min für 5  min unter sichtbarem Licht 3,2 Mal höher war als die der Pd-NS-Katalysatoren im Dunkeln (Abb. 2d). Die extrem hohe Aktivität von Pd-Nanozymen unter sichtbarem Licht führt zu der Hypothese, dass die Existenz heißer Elektronen durch den SPR-Effekt von Pd-NSs, die die Bildung von Reaktionszwischenprodukten O* anstelle von freien Radikalen fördern, für eine Peroxidase-ähnliche Aktivität verantwortlich ist (Abb. 5a .). ) [28]. Kurz gesagt, das Einfangexperiment aktiver Spezies und das Ventilationsexperiment liefern eine solide Unterstützung für den photokatalytisch nachahmenden Enzymmechanismus von Pd-NSs.

a Schematische Darstellung eines Sensors für H₂ O₂ Erkennung. b Dosis-Wirkungs-Kurve verschiedener Wasserstoffperoxidkonzentrationen. Versuchsbedingungen:Pd-Nanozym (25,2 µg/ml), Phosphatpuffer (0,1 µM, pH 4) und TMB (0,7 µM) Beleuchtung mit sichtbarem Licht (λ ≥ 400 nm, 3 min). Einschub:lineare Kalibrierkurven. c Störung der Absorption von H₂ . durch andere Verunreinigungen O₂ kolorimetrischer Sensor bei 652 nm. Versuchsbedingungen:Pd-Nanozym (25,2 µg/ml), Phosphatpuffer (0,1 µM, pH 4), TMB (0,7 µM), Beleuchtung mit sichtbarem Licht (λ ≥ 400 nm, 15 min) und einschließlich 50 mM H₂ O₂ , 200 µM Glukose, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , und CO₃ ²⁻ , und der Einschub zeigt die Farbänderungen der Reaktionslösungen

Ein neuer hochempfindlicher Echtzeitsensor

Dies wurde in mehreren Studien gezeigt, dass die Einbringung von Licht in den Sensor als Zufuhr externer Energie die Leistung des Sensors verbessern kann [22, 32, 33]. Ling et al. [32] fand heraus, dass O₂ Erfassungseigenschaften des 10 at. % LaOCl-SnO₂ Sensor wurde durch UV-Licht-Beleuchtung deutlich verbessert. In Anbetracht des signifikanten Einflusses von Licht auf den Sensor und der ausgezeichneten Peroxidase-nachahmenden Aktivität von Pd-NSs unter sichtbarem Licht in unseren Experimenten ist ein effektiver und empfindlicher kolorimetrischer Sensor H₂ O₂ gebaut wurde. Der Mechanismus des Sensors (Abb. 5a) zeigt, dass Pd-NSs ihre große spezifische Oberfläche voll ausnutzen können, um Photonen einzufangen und eine große Anzahl heißer Elektronen zu erzeugen. Danach fördert das heiße Elektron die Zersetzung von H₂ O₂ um Reaktionszwischenprodukte O* herzustellen, die TMB zu blauem oxTMB oxidieren können. Schließlich der effiziente Nachweis von H₂ O₂ wurde realisiert.

Wie aus dem Einschub von Fig. 5b ersichtlich ist, ist der lineare Bereich des konstruierten H₂ O₂ Sensor von uns war von 10 bis 100 μM, und die Berechnung der Nachweisgrenze war 13,40 μM (LOD =3 s /k , wobei s und k repräsentieren die linearen Kalibrierungsblöcke der relativen Standardabweichung bzw. der Steigung von acht parallelen Kontrollmessungen. In dieser Arbeit s =2,97988 × 10 ⁻⁴ , k =6,67 × 10 ⁻⁵ ). Daher war ein auf Pd-NSs basierender Wasserstoffperoxidsensor anderen berichteten Nanomaterialien unter der Bedingung des Einbringens von Licht überlegen. Aus Tabelle S2 ist ersichtlich, dass unser Sensor mit derselben kolorimetrischen Methode zum Nachweis von Wasserstoffperoxid einen breiten Linearitätsbereich aufweist [34]. Und die Nachweisgrenze war niedriger als bei vielen Sensoren, die auf Fe- oder Co-basierten Peroxidase-Mimetika basieren (Tabelle S3) [35, 36]. Schließlich haben wir H₂ . durchgeführt O₂ und eine Reihe von Kontrollexperimenten (Abb. 5c) mit potentiellen Störungen wie K ⁺ , Glukose, Na ⁺ , CO₃ ²⁻ , und Ca ²⁺ . Wie im Einschub von Fig. 5c gezeigt, ist es offensichtlich, dass die Absorption dieser Interferenzen bei 652   nm schwach ist und sich die Farbe nicht ändert. Basierend auf unseren Ergebnissen wurde ein effizienter und hochspezifischer Wasserstoffperoxidsensor auf Basis von sichtbarem Licht erfolgreich realisiert. Dieser Sensor nutzt nicht nur sichtbares Licht voll aus, um seine Erkennungsleistung zu verbessern, sondern ist auch ein gutes Beispiel für andere plasmonische Metalle im Sensor.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend demonstrierten wir ein spannendes Beispiel für die Anwendung ultradünner Pd-Nanoblätter (Pd NSs) als hocheffiziente und lichtkontrollierbare Peroxidase-Nachahmung aufgrund einer hohen Dichte aktiver Zentren auf der Oberfläche der Nanoblätter und der einzigartigen optischen Eigenschaften von SPR. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht können die durch den SPR-Effekt erzeugten heißen Elektronen aus Pd-Nanoblättern anschließend H₂ . zersetzen O₂ zur Herstellung von Zwischenprodukten O*. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht zeigten solche Nanozyme eine viel höhere Peroxidase-ähnliche Aktivität als im Dunkeln. Ein solches lichtaktiviertes System wurde außerdem für die verbesserte Biosensorik von H₂ . verwendet O₂ . Das hier vorgestellte Grundkonzept, basierend auf der Erzeugung heißer Elektrik durch SPR-Effekt an den photoaktivierten Pd-Nanozymen, könnte zum Design intelligenter oder effizienterer künstlicher Enzymsysteme beitragen und viele neue Möglichkeiten für die chemische Industrie und Biotechnologie bieten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

Pd-NSs:

Pd-Nanoblätter

AG:

Silber

Au:

Gold

Pt:

Platin

Pd:

Palladium

SPR:

Oberflächenplasmonenresonanz

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

HRTEM:

Hochauflösendes TEM

XRD:

Röntgenbeugung

HRP:

Meerrettichperoxidase

Km:

Michaelis-Konstante

O₂ ⁻ :

Superoxid