Ultradünne Palladium-Nanozyme: Lichtaktivierte Peroxidase-Mimikry für Präzisionskatalyse

Zusammenfassung

Lichtaktivierte Nanozyme können eine Fülle neuer Möglichkeiten für die chemische Industrie und Biotechnologie bieten. Gegenwärtige ferngesteuerte katalytische Systeme sind jedoch noch weit von zufriedenstellend entfernt. Hier präsentieren wir ein interessantes Beispiel für die Anwendung ultradünner Pd-Nanosheets (Pd NSs) als lichtkontrollierbare Peroxidase-Mimik. Da die meisten Pd-Atome auf ihrer Oberfläche exponiert sind, besitzen Pd NSs mit einer Dicke von 1,1 nm eine hohe Peroxidase-ähnliche Aktivität. Noch wichtiger ist, dass unter Lichteinstrahlung diese intrinsische Aktivität um das fast 2,4- bis 3,2-fache weiter aktiviert werden kann. Ein solches Phänomen kann auf die einzigartige optische Eigenschaft ultradünner Pd NSs zurückgeführt werden, die Photonen effizient einfangen können, um heiße Elektronen über den Oberflächenplasmonenresonanz-Effekt (SPR) zu generieren und somit die in-situ-Zersetzung von H2O2 in reaktive Sauerstoffspezies-Radikale (O*) zu fördern. Diese verstärkte Katalyse kann auch für Echtzeit- und hochsensitive farbimetrische Detektion von H2O2 verwendet werden. Wir erwarten, dass unsere Arbeit wertvolle Einblicke in das rationale Design künstlicher Nanozyme mit kontrollierbarer und effizienter Aktivität in biomedizinischer Diagnostik, Medikamentenabgabe und Umweltchemie liefern kann.

Einleitung

Natürliche Enzyme sind exquisite Biokatalysatoren, die fast jede chemische Transformation des Lebens katalysieren können [1, 2]. Allerdings bestehen immer noch inhärente Mängel wie schlechte Stabilität und hohe Kosten. Seit magnetische Nanopartikel mit intrinsischer Peroxidase-mimicker Aktivität erstmals berichtet wurden [3], haben das Design und die Entwicklung von Nanomaterialien mit enzymähnlichen Aktivitäten (Nanozyme) immer mehr Forschungsaufmerksamkeit erregt [4]. Bisher wurden eine Reihe von oxid- [5,6,7], metall- [8,9,10] und kohlenstoffbasierten Nanomaterialien [11,12,13] verwendet, um Meerrettich-Peroxidase (HRP) zu mimiken. Unter diesen wurden edelmetallbasierte Nanomaterialien [8, 14,15,16,17,18,19] wie Silber (Ag) [15], Gold (Au) [16, 17], Platin (Pt) [8] und Palladium (Pd) [18, 19] berichtet, um hohe Peroxidase-mimetische Aktivitäten zu besitzen. Andererseits wurde auch die Einführung von Licht zur Aktivierung der Aktivität von Nanozymen berichtet, was eine Fülle von Möglichkeiten für Biotechnologie und chemische Industrie bietet [4, 20]. Gegenwärtige ferngesteuerte katalytische Systeme sind jedoch noch weit von zufriedenstellend entfernt.

Plasmonische Metallnanomaterialien können Sonnenlicht einfangen oder darauf reagieren aufgrund der einzigartigen optischen Eigenschaft der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR). Diese Metallnanomaterialien, die Photonen einfangen können, um heiße Elektronen durch den SPR-Effekt zu generieren, sind zu Schlüsselmaterialien für die Verbesserung der katalytischen Rate [21], die Förderung neuer optischer Sensierung von Biomolekülen [22], die Entwicklung photothermischer Therapie und die Nutzung von Sonnenlicht als erneuerbare Energie [23, 24] geworden. Keines von ihnen konzentrierte sich jedoch auf den SPR-Effekt von plasmonischen Metall-basierten Nanozymen auf ihre enzym-mimierenden Aktivitäten. Daher wäre es attraktiv, plasmonische Metall-basierte Nanozyme mit SPR-Effekt zu kombinieren, um hochaktive und lichttunbare Enzymkatalyse zu erreichen.

Hier berichten wir erstmals, dass ultradünne Pd-Nanosheets (Pd NSs) mit einer Dicke von etwa 1,1 nm als ausgezeichnete und lichtkontrollierbare Peroxidase-Mimik dienen können. Pd-basierte Nanozyme und lichtkontrollierte Nanozymsysteme wurden berichtet, um multiple Enzym-mimetische Aktivitäten einschließlich Oxidase, Peroxidase, Katalase und Superoxiddismutase aufzuweisen [4, 18, 19]. Ihre Strukturen sind jedoch allgemein Partikel, Bulks und Stäbe. Wie wir alle wissen, haben ultradünne Pd NSs hohe Oberflächenenergie, kleine laterale Größe und hohe Elektronenbeweglichkeit, was in einer hohen Dichte aktiver Oberflächenstellen resultiert [25]. Außerdem können die meisten der Atome, die ultradünnen Nanosheets exponiert sind, als ideale Plattform für die Engineering ihrer Leistung dienen [26]. Inspiriert durch die einzigartige Struktur ultradünner Nanosheets präsentieren wir eine Strategie, die nicht nur die aktiven Stellen der Pd-Atome voll ausnutzt, sondern auch heiße Elektronen in den Enzymkatalyseprozess injiziert. Wie in Schema 1 gezeigt, kann die Wechselwirkung von Photonen mit ultradünnen Pd NSs Oberflächenplasmonenresonanz anregen, die nicht-strahlend in heiße Elektronen und Löcher zerfällt, was die in-situ reduktive Zersetzung von H2O2 zur Erzeugung von Sauerstoffspezies-Radikalen (O*) mit Oxidation von TMB unter sichtbarem Licht fördert. Durch Einführen von sichtbarem Licht in die enzymatische Reaktion zeigen Pd NSs signifikant höhere katalytische Aktivitäten als Pd NSs unter Dunkelbedingungen.

Materialien und Experimentelle

Materialien und Charakterisierungen

Zitronensäure (CA); N,N-Dimethylformamid (DMF); 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidin (TMB); und Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) wurden von Sigma Aldrich gekauft. Pd(II)-acetylacetonat, W(CO)6 und Polyvinylpyrrolidon (PVP) wurden von Macklin bezogen. Wasserstoffperoxid (H2O2, 30 Gew.-%) wurde von Beijing Chemicals (Beijing, China) gekauft. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Experimentelles Wasser, gereinigt durch Millipore-System (18,2 MΩ; Millipore Co., USA), wurde durchgehend verwendet.

Die Phasenstrukturen der Produkte wurden mit einem PANalytical Röntgendiffraktometer charakterisiert, das Cu Kα-Strahlung (λ = 1,5406 Å) verwendete. Und UV-Vis-diffuse Reflexionsspektren (DRS) der Proben wurden bei Raumtemperatur mit dem Lambda 750, PerkinElmer charakterisiert. Die Katalysatorkonzentrationen in Lösungen wurden durch ICP-AES (720, Agilent) bestimmt. Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) Bilder wurden an einem JEM1400 plus Transmissionelektronenmikroskop bei 100 kV aufgenommen. Hochauflösende TEM (HRTEM) Analysen wurden an einem JEM-2100F Feldemissions-Transmissionelektronenmikroskop (FE-TEM) bei 200 kV durchgeführt.

Synthese von Pd-Nanosheets

Entsprechend der berichteten Methode [27] wurden Pd NSs synthetisiert. Kurz gesagt, Pd(II)-acetylacetonat (16 mg), PVP (MW = 24.000, 30 mg), CA (150 mg) und CTAB (60 mg) wurden in DMF (10 ml) gemischt und 1 h in Stickstoffatmosphäre gerührt. Als sich die Farbe der Lösung im Kolben (25 ml) in eine einheitliche orange-rote Lösung änderte, wurden 100 mg W(CO)6 unter N2-Atmosphäre in die Lösung gegeben. Anschließend wurde der Kolben 1 h bei 80 °C erhitzt. Nach der Reaktion wurde das dunkelblaue Produkt durch Zentrifugation (9000 U/min, 3 min) mit ausreichend Aceton separiert und dann in Ethanol dispergiert. Dieser Prozess wurde dreimal wiederholt. Schließlich wurden die Pd-Nanosheets in 10 ml Ethanol für weitere Experimente dispergiert.

Photokatalytische Peroxidase-Mimik-Messung

Die Peroxidase-mimische Aktivität der Pd NSs Nanozyme wurde durch Messung der Oxidation von TMB bewertet. Eine 300-W-Xenonlampe (CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China Education Au-light Co., Ltd., Beijing) diente als Lichtquelle, und das Hinzufügen eines Glasfilters ermöglichte das Durchlassen von sichtbarem Licht (λ ≥ 400 nm). In einem typischen Experiment wurden 12,6 μg/ml Pd NSs Nanozyme (gemessen durch ICP-AES) zu 1 ml Phosphorsäure-Pufferlösung (0,1 M, pH 4) mit 50 mM H2O2 und 0,7 mM TMB bei Raumtemperatur gegeben. Während der Bestrahlung zu verschiedenen Zeitpunkten wurde die Peroxidase-mimische Aktivität durch Überwachung des charakteristischen Absorptionspeaks bei 652 nm nach Zentrifugation bestimmt, was die Konzentration der TMB-Oxidationsprodukte anzeigt. Das Kontrollexperiment hatte die gleichen Bedingungen außer der Beleuchtung.

Ergebnisse und Diskussion

Design und Charakterisierung der Pd NSs Nanozyme

Eine typische Synthese von Palladium-Nanosheets wurde durch eine klassische Methode (Abb. 1a) hergestellt, um eine Reihe hochaktiver atomarer Stellen ultradünner Nanozyme zu konstruieren, die inhärente Substrate und Photonen einfangen und effiziente Peroxidase-Enzym-mimik-Charakteristiken besitzen. Abb. 1b–d zeigen typische niedrigvergrößerte Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) Bilder der synthetisierten Pd NSs, die aus einheitlichen Nanosheets mit lateralen Dimensionen von etwa 10,0 nm (Abb. 1b, Inset) und einer durchschnittlichen Dicke von etwa 1,1 nm (Abb. 1c, Inset) bestehen. Je nach Größe beträgt der Flächenprozentsatz der oberen und unteren flachen Oberfläche über 90 %. Hochauflösende Transmissionelektronenmikroskopie (HRTEM) wird verwendet, um die Morphologie und Phase der Pd NSs weiter zu bestätigen. Abb. 1g zeigt die angemessenen Abstände von ~ 0,22 und 0,256 nm für die (111)- und (200)-Gitterebenen von Palladium [27]. Um den experimentellen Bedürfnissen gerecht zu werden, wurde das XRD-Muster der Pd NSs durch Aufladen auf kommerziellen Kohlenstoff charakterisiert. Wie in Abb. 1e gezeigt, entsprechen die Beugungspeaks bei etwa 40,11, 46,65 und 68,12 den (111), (200) und (220) Ebenen von kubischen Pd NSs, was mit der Beobachtung aus HRTEM konsistent ist. Zudem sind keine Peaks indikativ für kristalline Phasen außer den mit dem kommerziellen Kohlenstoff verbundenen Peaks vorhanden. Das Pd 3d Spektrum zeigt zwei Peaks (Abb. 1f) Pd 3d5/2 und Pd 3d3/2 (resultierend aus der Spin-Orbit-Aufspaltung), lokalisiert bei jeweils 335,5 und 339,2 eV [25], was zeigte, dass es zwei chemische Umgebungen für Palladiumatome gibt.

Photokatalytische Peroxidase-Mimik-Aktivität

Die Peroxidase-ähnliche Aktivität der Pd NSs wurde mit TMB als typischem Peroxidase-Substrat untersucht. Da die meisten Pd-Atome auf der Oberfläche ultradünner Nanosheets exponiert waren, schließen wir, dass ultradünne Pd NSs eine hohe Dichte aktiver Oberflächenstellen besitzen und somit eine hervorragende katalytische Aktivität ergeben. Wie erwartet können Pd NSs in Koexistenz von H2O2 die Oxidation des farblosen Substrats TMB zu blauem Produkt oxTMB effizient katalysieren, mit dem charakteristischen Absorptionsmaximum bei 652 nm (Abb. 2a, b). Ohne Zugabe von H2O2 kann die Aktivität der Pd NSs unter gleichen experimentellen Bedingungen vernachlässigt werden, was zeigte, dass die Peroxidase-ähnliche Aktivität eine wichtige Rolle während der Reaktion spielte. Ähnlich wie natürliche Enzyme und andere Nanozyme haben Pd-Nanozyme eine pH-, temperatur- und konzentrationsabhängige Peroxidase-Aktivität (Abb. 2c und Abb. S1). Unter den Experimentbedingungen zeigten Pd NSs optimierte katalytische Aktivität in schwach saurer Lösung, und der charakteristische Absorptionspeak der Reaktionslösung war am höchsten bei 35 °C, wenn die Temperatur von 25 auf 75 °C variierte (Abb. 2c). Überraschenderweise wurde ein signifikanter Unterschied in der Peroxidase-mimischen Aktivität mit oder ohne Lichteinstrahlung beobachtet (Abb. 2d und Abb. S2). Laut dem Absorptionswert der Reaktionslösung für 60 min zeigte die Aktivität der Pd NSs unter sichtbarem Licht etwa das 2,4- bis 3,2-fache der Aktivität der Pd NSs unter Dunkelbedingungen (Abb. 2d und Abb. S2). Ähnlich kann die Einführung von Licht in den Katalyseprozess anderer plasmonischer Metallnanopartikel auch deren Peroxidase-ähnliche Aktivität erhöhen (Abb. S3–S5). Durch Vergleich dieser Nanozyme fanden wir, dass Pd NSs den größten Aktivitätsregelungsbereich zeigten. Ein solches Phänomen ist hauptsächlich auf die einzigartige Struktur des ultradünnen Nanosheets zurückzuführen. Aus diesen erhaltenen Ergebnissen können wir ableiten, dass sichtbares Licht einen direkten Effekt auf die Peroxidase-ähnliche Aktivität aller plasmonischen Metallnanomaterialien hat (Abb. 2e), und der SPR-Effekt eine wesentliche Rolle im katalytischen Prozess spielen kann.

Kinetische und Mechanismusuntersuchung der Pd-Nanozyme

Um das enzymatische Verhalten der Pd NSs zu charakterisieren, bestimmten wir die Enzymkinetiktheorie für die Reaktion. Innerhalb des geeigneten Konzentrationsbereichs von TMB präsentieren Pd NSs jedoch eine typische Michaelis-Menten-Kurve (Abb. 3a). Die Michaelis-Konstante (Km) und die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) wurden durch Verwendung der Lineweaver-Burk-Gleichung erhalten, wie in Tabelle S1 gezeigt. Im Vergleich zu Meerrettich-Peroxidase (HRP) wurde der scheinbare Km-Wert der Pd NSs mit TMB um 0,28 abgeschwächt (Abb. 3a, b und Tabelle S1). Dieses Ergebnis zeigt an, dass die ultradünne Blattstruktur der hergestellten Pd NSs eine hohe Affinität zu TMB aufweist, sogar höher als die des natürlichen Enzyms HRP.

Da klar ist, dass H2O2 zerlegt werden kann, um reaktive Sauerstoffspezies mit Pd NSs zu bilden, ist es entscheidend zu verstehen, welche Spezies gebildet werden, um eine Oxidationsfunktion bereitzustellen. Prinzipiell können Edelmetalle die Zersetzung von H2O2 katalysieren, um •OH und Reaktionsintermediate O* bei niedrigeren pH-Bedingungen [28] zu bilden, von denenいずれ die Spezies sein kann, die die Oxidationsfunktion in enzym-mimetischen Reaktionen bereitstellt. Um den möglichen katalytischen Mechanismus der Pd NSs zu verstehen, verwendeten wir zunächst das Terephthalsäure (TA)/H2O2-System, um zu testen, ob die Peroxidase-ähnlichen Charakteristiken der Pd NSs mit der Bildung von •OH-Radikalen zusammenhängen (Abb. 4a). Mit TA als fluoreszierender Sonde wurde ein hochfluoreszierendes Produkt durch die Reaktion von 2-Hydroxyterephthalsäure mit •OH [29] produziert. Wie in Abb. 4b gezeigt, nimmt die Fluoreszenzintensität der Lösung nach Zugabe von Pd NSs signifikant ab. Die Ergebnisse stimmen gut mit der Fluoreszenzintensitätsabnahme bei Erhöhung der Pd NSs-Konzentration überein (Abb. S6). Diese Ergebnisse zeigen an, dass Pd NSs •OH-Radikale verbrauchen können, anstatt sie zu generieren. 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.

Um zu untersuchen, ob der katalytische Mechanismus der Pd NSs mit der Bildung von heißen Elektronen durch Licht zusammenhängt, untersuchten wir auch das Fangexperiment aktiver Spezies heiße Elektronen während der photokatalytischen Reaktion (Abb. 4c) [31]. Wie aus Abb. 4d ersichtlich, nimmt die katalytische Fähigkeit der Pd NSs zur TMB-Oxidation innerhalb von 15 min durch Zugabe von 0,3 mg/ml KBrO3 (ein Quencher von e−) signifikant ab. Ein so großer Unterschied zwischen dem KBrO3/Reaktionssystem und dem reinen System zeigt an, dass das Vorhandensein von heißen Elektronen kritisch für die TMB-Oxidation sein könnte. Dies stimmt mit den Ergebnissen von Abb. S7 überein, dass Pd NSs einen breiten Absorptionspeak durch SPR-Effekt im Spektralbereich von 500–1000 nm haben [25]. Außerdem, sobald heiße Elektronen von der Oberfläche der Pd NSs wegbewegt werden, bleiben entsprechende Löcher auf ihrer Oberfläche. Da diese Löcher Ethanol oxidieren können, um Acetaldehyd zu produzieren, könnten sie auch eine starke Oxidationsfähigkeit gegenüber TMB haben. Wie erwartet wurde ohne Zugabe von H2O2 mehr oxTMB unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht erzeugt.

Als Nächstes testeten wir, ob reaktive Sauerstoffspezies durch Aktivierung von O2 unter sichtbarem Licht gebildet wurden, einschließlich Superoxid (O2−). In Anbetracht dessen wurden kontrollierte Experimente unter verschiedenen Atmosphären durchgeführt. Für Abb. S8 ändert sich die katalytische Leistung der mimetischen Enzyme nicht signifikant, wenn wir Stickstoff und Sauerstoff jeweils durch Sättigen des Reaktionssystems einführen, was nicht wesentlich durch O2 für die photokatalytische Aktivität der Pd NSs beeinflusst wird. Es ist wesentlich darauf hinzuweisen, dass die ultimative Leistung der 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 NSs-Katalysatoren im Dunkeln (Abb. 2d). Die extrem hohe Aktivität des Pd-Nanozyms unter sichtbarem Licht führt zu der Hypothese, dass die Existenz von heißen Elektronen durch den SPR-Effekt der Pd NSs die Bildung von Reaktionsintermediaten O* anstelle von freien Radikalen für eine Peroxidase-ähnliche Aktivität fördert (Abb. 5a) [28]. Kurz gesagt, das Fangexperiment aktiver Spezies und das Belüftungsexperiment liefern stabile Unterstützung für den photokatalytischen mimetischen Enzymmechanismus der Pd NSs.

Ein neuer Echtzeit- und hochsensitiver Sensor

Dies wurde in mehreren Studien demonstriert, dass die Einführung von Licht in den Sensor als Eingabe externer Energie die Leistung des Sensors verbessern kann [22, 32, 33]. Zum Beispiel fanden Ling et al. [32], dass die O2-Sensoreigenschaften des 10 at.% LaOCl-SnO2-Sensors durch ultraviolettes Licht signifikant verbessert wurden. In Anbetracht des signifikanten Einflusses von Licht auf den Sensor und der hervorragenden Peroxidase-mimischen Aktivität der Pd NSs unter sichtbarem Licht in unseren Experimenten, wurde ein effektiver und sensitiver farbimetrischer H2O2-Sensor gebaut. Der Mechanismus des Sensors (Abb. 5a) zeigt, dass Pd NSs seine große spezifische Oberfläche voll ausnutzen können, um Photonen einzufangen und eine große Anzahl heißer Elektronen zu generieren. Danach fördert das heiße Elektron die Zersetzung von H2O2 zur Erzeugung von Reaktionsintermediaten O*, die TMB zu blauem oxTMB oxidieren können. Schließlich wurde die effiziente Detektion von H2O2 realisiert.

Wie aus dem Inset von Abb. 5b ersichtlich, betrug der lineare Bereich des von uns konstruierten H2O2-Sensors 10 bis 100 μM, und die Berechnung der Nachweisgrenze betrug 13,40 μM (LOD = 3s/k, wobei s und k die linearen Kalibrierblöcke der relativen Standardabweichung und Steigung von acht parallelen Kontrollmessungen darstellen. In dieser Arbeit beträgt s = 2,97988 × 10−4, k = 6,67 × 10−5). Daher war der auf Pd NSs basierende Wasserstoffperoxidsensor anderen berichteten Nanomaterialien unter der Bedingung der Lichteinführung überlegen. Aus Tabelle S2 ist ersichtlich, dass mit der gleichen farbimetrischen Methode zur Detektion von Wasserstoffperoxid unser Sensor einen breiten Linearitätsbereich zeigt [34]. Und die Nachweisgrenze war niedriger als viele Sensoren basierend auf Fe-basierten oder Co-basierten Peroxidase-Mimiken (Tabelle S3) [35, 36]. Schließlich führten wir H2O2 und eine Reihe von Kontrollexperimenten (Abb. 5c) mit potenziellen Interferenzen wie K+, Glucose, Na+, CO32− und Ca2+ durch. Wie im Inset von Abb. 5c gezeigt, ist offensichtlich, dass die Absorption dieser Interferenzen bei 652 nm schwach ist und die Farbe sich nicht ändert. Basierend auf unseren Ergebnissen wurde ein effizienter und hochspezifischer Wasserstoffperoxidsensor basierend auf sichtbarem Licht erfolgreich realisiert. Dieser Sensor nutzt nicht nur sichtbares Licht voll aus, um seine Detektionsleistung zu verbessern, sondern bietet auch ein gutes Beispiel für andere plasmonische Metalle im Sensor.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir ein aufregendes Beispiel für die Anwendung ultradünner Pd-Nanosheets (Pd NSs) als hocheffiziente und lichtkontrollierbare Peroxidase-Mimik demonstriert, aufgrund einer hohen Dichte aktiver Stellen auf der Oberfläche der Nanosheets und der einzigartigen optischen Eigenschaft von SPR. Mit der Bestrahlung von sichtbarem Licht können die aus Pd-Nanosheets über SPR-Effekt generierten heißen Elektronen H2O2 nachfolgend zersetzen, um Intermediaten O* zu produzieren. Unter sichtbarem Lichtbestrahlung zeigten solche Nanozyme eine viel höhere Peroxidase-ähnliche Aktivität als im Dunkeln. Ein solches lichtaktiviertes System wurde weiter für die verbesserte Biosensierung von H2O2 verwendet. Das hier präsentierte Grundkonzept, basierend auf der Generierung von heißen Elektronen durch SPR-Effekt auf photoaktivierten Pd-Nanozymen, könnte zum Design intelligenterer oder effizienterer künstlicher Enzymsysteme beitragen und viele neue Möglichkeiten für die chemische Industrie und Biotechnologie bieten.