以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者纳米酶Nanozymes
研究背景
酚酸是主要的生物活性成分，具有降脂、抗菌、抗炎、抗氧化、抗肿瘤的药理作用。目前，很多分析方法如毛细管电泳（CE），液相色谱−质谱（LC−MS），高效液相色谱（HPLC）等已被开发用于酚酸的检测。但这些检测方法成本较高、操作复杂、灵敏度较低，无法进行高通量检测。
纳米酶是一种具有类似酶的活性的纳米材料，由于其独特的优势，包括低成本、易扩展、易改性、高活性和高稳定性，已经成为天然酶的潜在替代品。虽然人工酶的研究取得了很大的成就，但设计天然酶催化活性高的纳米酶和进一步建立敏感的生物传感器仍然具有挑战性。
研究内容
针对上述问题，首都师范大学陈郑博副教授开发了具有类过氧化物酶催化活性的FeCoZn三原子纳米酶（TAzyme）和Sn单原子纳米酶（SAzyme）/Ti3C2Tx（图1）。它们能在过氧化氢（H2O2）的存在下，催化4-氨基安替比林（4-AAP）和酚酸发生比色反应。通过模式识别方法进行数据分析显示，在0.1 μM至1 mM的浓度下，六种不同的酚酸具有良好的聚类分离，验证了比色纳米酶传感器阵列的有效性。相关工作以“Visual Sensor Arrays for Distinction of Phenolic Acids Based on Two Single-Atom Nanozymes”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。
图1. 基于两种单原子纳米酶的视觉传感器阵列识别酚酸的原理示意图
1. FeCoZn-TAC/SNC纳米酶的制备与表征
FeCoZn-TAC/SNC的制备方法如图2a所示。扫描电子显微镜（SEM，图2b）和透射电子显微镜（TEM，图2c）图像显示了FeCoZn-TAC/ SNC的中空多孔结构，其中没有金属纳米颗粒位于碳基体表面。FeCoZn-TAC/SNC的选区电子衍射（SAED）图案（图2c中的插图）表明了其非晶特征。能量色散X射线光谱（EDS，图2d）图像显示了Fe、Co、Zn、S和N在FeCoZn TAC/SNC中的存在和均匀分布。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像（图2e）证实，Fe、Co和Zn物种原子分散在FeCoZn TAC/SNC上。HAADF-STEM图像（图2f）证实了Fe、Co和Zn的分离分散体，其中可以清楚地观察到相应的亮点及其在不同角度的原子分布。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）拟合（图2g）显示了三个金属原子位点在不同角度的分布，对应于图2f，并且金属中心由氮原子（M-N4）四重键合。上述结果证实了FeCoZn TAC/SNC三单原子纳米酶的成功制备（图2）。
图2. FeCoZn-TAC/SNC的制备及形态表征（a） FeCoZn TAC/SNC的示意图（b）FeCoZn-TAC/SNC的SEM、（c）TEM和（d）EDS图像。插图c：FeCoZn-TAC/SNC的SAED模式（e，f）FeCoZn-TAC/SNC的HAADF-STEM图像（g）三个原子在不同角度的分布，对应于（f）。
2. Sn SA/Ti3C2Tx纳米酶的制备与表征
Sn SA/Ti3C2Tx的制备方法如图3a所示。图3b-d中的TEM、SEM和HAADF-STEM图像清楚地显示了合成的Sn SA/Ti3C2Tx的超薄纳米片形态，以及Sn SA/Ti3C2Tx上不存在Sn纳米颗粒或团簇。Sn SA/Ti3C2Tx的HAADF-STEM-EDS元素图谱图像（图3g）显示，所有Sn原子都是孤立分布的，没有积累。通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）测定Ti3C2Tx中Sn的负载量为5.85wt%。从图3e中随机选择的区域拍摄的HAADF-STEM图像（图3f）显示，由对应于单原子Sn-SA的红色圆圈标记的大量亮点均匀分散在Ti3C2Tx载体上。上述结果证实了Sn SA/Ti3C2Tx单原子纳米酶的成功制备（图3）。
图3. Sn-SA/Ti3C2Tx的合成及形貌表征（a）Sn-SA/Ti3C2Tx的示意图（b）TEM、（c）SEM、（d）HAADF-STEM、（e）HAADF-STEM图像和（f）放大图像（g） Ti（黄色）、O（绿色）、C（红色）和Sn（蓝色）的HAADF-STEM-EDS元素映射图像。
3. LDA法鉴别酚酸类化合物
由于4-AAP对不同酚酸的不同亲和力和两种纳米酶的不同过氧化物酶样活性，纳米酶传感器阵列可以产生不同的比色响应（图4a的插图）。在线性判别分析（LDA）方法的辅助下，可以实现对六种不同酚酸的区分。从热图（图4d）、雷达图（图4e）和框图（图4f）可以直观地看到两种纳米酶对六种酚酸的不同识别能力，这表明纳米酶传感器阵列是通过基于模式的识别来区分这些酚酸的理想工具。此外，该方法通过在血清样品中掺入酚酸，进一步评估了传感器阵列对0.1、1和10mM酚酸的实际应用（图4k）。
图4.（a）基于两种纳米酶的用于识别酚酸的传感器阵列的示意图。传感器阵列对六种酚酸（1 mM）的（b）响应模式、（c）LDA评分图、（d）热图、（e）雷达图和（f）箱线图。（g）DHB浓度的对数与FeCoZn-TAC/SNC催化的吸光度变化之间的线性关系，范围为20至70 μM。（h）DHB浓度与Sn SA/Ti3C2Tx催化的吸光度变化之间的对数关系，范围为10至90 μM。（i）LDA评分图用于酚酸混合物的鉴定。（j）针对干扰物质和对照（未添加任何分析物的样品）鉴定酚酸的LDA评分图。（k）LDA评分绘制了在血清存在下区分具有三种不同浓度（0.1、1和10 mM）的六种酚酸的图。
4. 密度泛函理论（DFT）计算
对结构进行了几何优化，并对其电子性能进行了理论研究。所有计算都是在VASP程序中以PBE密度函数和PAW为基础进行的。同步辐射表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，FeCoZn和Sn单原子有助于获得优异的催化性能。
图5.（a）FeCoZn/SNC三原子催化剂、（b）FeCoZn/NC三原子催化剂，（c）CoZn/NC双原子催化剂、（d）Zn/NC单原子催化剂和（e）吸附了OH基团的Sn单原子催化剂的优化结构的俯视图和侧视图。（f）FeCoZn/SNC三原子催化剂以及（k）吸附了OH基团的催化剂、（g）FeCoZn/NC三原子催化剂和（l）吸附了OH基团的催化剂、（h）CoZn/NC双原子催化剂和和（m）吸附了OH基团的催化剂、（i）Zn/NC单原子催化剂和（n）吸附有OH基团的催化剂和（j）Sn单原子催化剂和（o）具有吸附的OH基团的催化剂的金属原子和OH基团的PDOS。费米能级被设置为零。（p-y）不同催化剂对应的最高占据轨道上的能带分解电荷密度。
转自：“NANO学术”微信公众号
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