Nanozymer är katalytiska nanomaterial med enzymliknande egenskaper som har väckt enormt forskningsintresse på senare tid. De katalytiska nanomaterialen erbjuder unika fördelar med låg kostnad, hög stabilitet, inställbar katalytisk aktivitet och enkel massproduktion och lagring. Dessa egenskaper är mycket önskvärda för ett brett spektrum av tillämpningar inom biosensing, vävnadsteknisk terapi och miljöskydd. Dock, konventionella nanozymteknologier står inför kritiska utmaningar i förhållande till sin storlek, sammansättning och facettberoende katalys, förutom den inneboende låga aktiva platsdensiteten.

Skriver nu in Vetenskapens framsteg , Liang Huang och medarbetare vid avdelningarna för elektroanalytisk kemi och fysik i Kina beskriver upptäckten av en ny klass av enatoms enzymer med atomärt spridda enzymliknande aktiva platser i nanomaterial. Platserna förbättrade avsevärt den katalytiska prestandan hos enatoms nanozymer och forskarna upptäckte deras underliggande mekanism med hjälp av oxidaskatalys som en modellexperimentell reaktion tillsammans med teoretiska beräkningar. De avslöjade de katalytiska aktiviteterna och beteendet hos enatoms nanozymer som innehåller en kolnanoram (enkelatom/kolnanoram:SA/CNF) och begränsat FeN ₅ aktiva centra (FeN ₅ SA/CNF) för att efterlikna den naturliga axiella ligandkoordinerade hemen av cytokrom P450 för mångsidiga antibakteriella applikationer. Resultaten tyder på att enatoms nanozymer har stor potential att bli nästa generations nanozymer för tillämpningar inom nanobioteknik.

Sedan upptäckten av den peroxidasliknande aktiviteten hos ferromagnetiska nanopartiklar 2007, forskare har konstruerat olika nanozymer med hjälp av material som metalloxider, ädla metaller, kolmaterial och metallorganiska ramverk (MOF). Dock, två samtida utmaningar kvarstår inom nanozymteknologier, där (1) de aktiva platserna med låg densitet visade lägre katalytisk aktivitet jämfört med naturliga enzymer, och (2) den inhomogena elementära sammansättningen kan komplicera katalytiska mekanismer. På grund av dessa flaskhalsar, forskare har funnit det utmanande att upptäcka de exakta platserna och ursprunget för enzymaktivitet, begränsa omfattande tillämpningar av konventionella nanozymer.

I detta arbete, Huang och hans medarbetare hade som mål att lösa dessa problem genom att upptäcka en ny klass av enatoms nanozymer som innehåller den senaste enatomsteknologin för att skapa inneboende enzymliknande aktiva platser. Forskarna visade att de atomärt spridda metallcentra maximerade effektiviteten och tätheten av aktiva platser i den nya nanozymarkitekturen. De använde den väldefinierade koordinationsstrukturen för att tillhandahålla en tydlig experimentell modell under undersökningar av dess arbetsmekanism. Huang et al. rapporterade en effektiv och allmän metod för att syntetisera de mycket aktiva enatoms nanozymer genom att efterlikna de rumsliga strukturerna hos aktiva centra i naturliga enzymer.

De använde oxidaskatalys som en modellreaktion och genomförde såväl teoretiska beräkningar som experimentella studier. Forskarna identifierade den högsta oxidasliknande aktiviteten av FeN ₅ SA/CNF resulterar via den synergistiska effekten och elektrondonatormekanismen. Att notera, Kärr ₅ SA/CNF visade mer än 17 till 70 gånger högre oxidasliknande aktivitet jämfört med kvadratiskt plan FeN ₄ katalysator och den kommersiella Pt/C (platina på kol-katalysator) med normaliserat metallinnehåll. Resultaten förklarade den oväntade oxidasliknande push-effekten av axiell koordination i FeN ₅ SA/CNF och dess signifikant förstärkta katalytiska aktivitet, jämfört med konventionella nanozymer.

För att syntetisera FeN ₅ SA/CNF, Huang et al. designade först en värd-gäststruktur av metall-organiskt ramverk (MOF)-inkapslat järnftalocyanin (FePc:FePc@Zn-MOF). Denna struktur skulle kunna vara värd för olika metaller för att ersätta järnftalocyanin (FePc) i senare experiment som MPc där M varierade från mangan (MnPc), nickel (NiPc), koppar (CuPc) till kobolt (CoPc) och pyrolyserade prekursorn vid 900 ⁰ C under kvävgas för att erhålla enkelatoms nanozymer.

Forskarna hade tidigare visat att kvadratisk plan FeN ₄ platser skulle bibehållas under järnporfyrin och FePc (järnftalocyanin) kalcineringsreaktioner men i frånvaro av stöd, de monodispergerade platserna agglomererade till nanopartiklar. I den nuvarande syntesprocessen, forskarna isolerade FeN ₄ platser inneslutna i kolnanoramarna och koordinerade dem med pyridinkvävesubstratet (N) för att generera det mer termodynamiska och stabila FeN ₅ /C-platser.

Forskarna karakteriserade sedan FeNs morfologi och struktur ₅ SA/CNF med användning av svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att avslöja fusiformen FePc@Zn-MOF som en dominerande produkt med enhetlig morfologi. De observerade att de ihåliga hålrummen och porösa skalen gav substratet höga specifika ytareor och rikliga hierarkiska nanoporer.

Röntgendiffraktionsmönstren (XRD) indikerade att kristallstrukturen för Zn-MOF inte genomgick signifikanta förändringar efter inkapsling av FePc in situ, medan Fourier-transformationsinfraröda (FTIR)-spektrum för FePc@Zn-MOF verifierade framgångsrik inkapsling av FePc. Sedan genom att använda elektronenergiförlustspektroskopi, forskarna visade att Fe- och N-atomerna var homogent fördelade över hela domänen, indikerar genereringen av Fe-N-ställen i 3-D-matriser.

Huang et al. analyserade FeNs atomära struktur ₅ SA/CNF för att visa att Fe-atomens koordinationsnummer var nästan fem – för att bekräfta bildandet av fem Fe-N ₅ delar. För att förstå strukturen bakom de katalytiska mekanismerna, forskarna använde också Mössbauer-spektroskopi (används för att bestämma järnets oxidationstillstånd) och undersökte elektronstrukturen och järn- (Fe)-koordinationen. De bestämde sedan de oxidasliknande aktiviteterna av FeN ₅ SA/CNF med hjälp av kolorimetriska analyser och använde oxidation av TMB (3, 3, 5, 5-tetrametylbensidin) som en modell för katalytisk reaktion för att förstå interaktionen mellan syremolekyler och FeN ₅ SA/CNF i olika miljöer.

Resultaten visade den intensiva katalytiska aktiviteten av FeN ₅ SA/CNF under reduktion av syre och forskarna krediterade oxidationshastigheten för TMB till koncentrationen av syre. Huang et al. studerade sedan jämförelsevis de oxidasliknande aktiviteterna av FeN ₅ SA/CNF vs. MN ₅ SA/CNF där de ersatte M med olika metaller av Mn, Fe, Co, Ni och Cu. De visade den katalytiska hastigheten för FeN ₅ SA/CNF vara den högsta (17 beställningar högre än FeN ₄ SA/CNF) via distinkta färgförändringar över tiden.

När Huang et al. jämförde den enzymatiska aktiviteten med konventionella enzymer som tidigare använts, de observerade att FeN ₅ SA/CNF bibehöll jämförelsevis mycket överlägsen oxidasliknande aktivitet. Att notera, den katalytiska hastigheten för de nya nanozymerna var 70 gånger högre än den kommersiella Pt/C. Baserat på de experimentella resultaten, forskarna validerade att mekanistiskt var den centrala metallatomen och den axiella fem-N-koordinerade strukturen viktiga för de överlägsna oxidasliknande aktiviteterna hos enatoms nanozymer.

Som en praktisk tillämpning av katalytisk aktivitet med hög oxidation, enkelatoms nanozymer av FeN ₅ SA/CNF skulle kunna generera reaktiva syreämnen under den katalytiska reduktionen av syre, som kan försämra membranet hos bakterier för effektiva antibakteriella verkan. För att bedöma antibakteriell aktivitet, Huang et al. genomförde in vitro-experiment och upptäckte överlevnadsgraden för Escherichia coli och Staphylococcus aureus celler vid exponering för nanozymer. Vid jämförelse med en kontrollgrupp, forskarna observerade markant minskad bakteriell överlevnad; underbygger höga oxidasliknande aktiviteter av FeN ₅ SA/CNF för signifikant antibakteriell aktivitet.

Based on the in vitro experimental outcomes, the scientists next conducted in vivo antibacterial studies using the new nanozymes. För detta, they used a wound infection model of mice to understand the antibacterial efficacy of FeN ₅ SA/CNF. After 4-days of infecting a wound site with E. coli followed by nanozyme therapy, Huang et al. observed the clear remission of ulceration and accelerated wound healing in the treatment group.

The scientists verified the in vivo healing process using histopathology studies of the wounded tissue stained with hematoxylin and eosin. The results showed that keratinocytes migrated to the wound site from the normal tissue, to thicken the epidermis after treatment, confirming a highly biocompatible bacterial nanozyme. Som förut, Huang et al. credited the results to the architecture of atomically dispersed FeN ₅ sites, as actual active centers in these catalysts.

To determine the precise origin of the enhanced oxidase-like activity of the FeN ₅ SA/CNF using theoretical calculations, Huang et al. performed density functional theory (DFT) calculations. För detta, they used the oxygen molecular reduction process of single-atom metal sites, with TMB molecules as the reducing agent in acidic conditions. The scientists showed that compared with the starting square planar FeN ₄ SA/CNF, the axial-coordinated N atom used to form FeN ₅ SA/CNF provided a strong push effect in the nanozymes architecture; to activate the oxygen molecule and cleave the O-O bond. This process promoted the oxidative capacity of the single atom nanozymes, to acquire acidic hydrogens from substrates such as TMB, while oxidizing them. Thereby, based on the DFT calculations, Huang et al. unmistakably credited the origin of the superior oxidase-like activity to the central metal atom and the steric configurations of single-atom nanozymes.

In this way. Huang and colleagues reported the discovery of a new class of single-atom nanozymes with atomically dispersed enzyme-like active sites in nanomaterials. The new nanozymes showed significantly superior catalytic performance compared with conventional nanozymes in the lab. The observations resulted in uncovering their underlying mechanism during the study, using oxidase catalysis as a model reaction. Using both experimental studies and theoretical calculations, the scientists revealed the electron-push effect mechanism crucial to endow FeN ₅ SA/CNF with the characteristically superior oxidase-like activity, compared to other nanozymes. This led to efficient bactericidal investigations and wound disinfection in vitro and in vivo. The scientists present a new perspective to the catalytic mechanisms and rational design of nanozymes to exhibit great potential and predict the origin of a next-generation nanozyme.

© 2019 Science X Network