1、文献题目
Synthesis of hollow Co-N/C nanocage with superior oxidase-like activity for colorimetric sensing analysis and catalytic mechanism
文献期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical
10.1016/j.snb.2023.134228
2、文献提出的科学问题
基于纳米材料的酶模拟物(即纳米酶)被证明可以避免天然酶的固有缺点，成为比色传感的可行替代品。大多数基于过渡金属的纳米材料表现出差的氧化酶样活性，从而导致弱的比色传感。
3、分解为几个研究目标
1、通过水热法得到SiO2/ZIF-9，进一步煅烧后再去除模板二氧化硅，所得产物称为空心Co-N/C纳米笼。
2、以TMB作为探针进行了显色反应以及对酶模拟物进行了电化学分析。
3、建立了一种简单的测定Na2SO3和Cr6+的比色法。
4、研究总体方案
本文以ZIF-9为模板，制备了一种新型的空心Co-N/C纳米笼。中空结构的构建可以提高Co-N/ C的比表面积，从而增加显色剂与模拟酶的接触机会。碳层的引入不仅可以降低电荷转移电阻，还可以提高水的稳定性。结果表明，空心Co-N/C纳米笼表现出良好的氧化酶活性，TMB的显色反应可以在几秒钟内发生。同时，基于oxTMB与靶标的氧化还原反应，建立了一种简单有效的检测Na2SO3和Cr6+的比色分析方法。
5、方法和技术手段
SEM、TEM、XPS、XRD、UV-vis、 Fluorescent spectrum
6、主要研究成果
1、通过水热法得到SiO2/ZIF-9，进一步煅烧后再去除模板二氧化硅，所得产物称为空心Co-N/C纳米笼。纯ZIF-9显示出不规则的球形。在直接高温煅烧处理后，ZIF-9衍生的Co-N纳米笼呈现粗糙表面，其中观察到各种裂纹。为了实现空心结构的构建，使用二氧化硅作为模板，中空Co-N纳米笼显示出典型的中空结构特征。碳层的引入对样品的中空结构几乎没有影响。TEM图进一步揭示了空心Co-N/C纳米笼平均尺寸约为600-700nm的空心结构。此外，碳层成功地涂覆到中空Co-N/C纳米笼的表面。空心Co-N/C纳米笼的EDX元素谱图表明C、O、N和Co元素在整个空心球体中均匀分布。
2、XRD分析显示在44.3◦，51.6◦和75.9◦处的典型衍射峰为(111)，(200)和(220)晶体平面，这与Co4N的标准相(PDF# 15-0806)非常一致。此外，26.4◦处的衍射峰为碳的(002)晶面，并且在引入碳层后，26.4◦处的衍射峰强度显著增强。空心Co-N纳米笼的比表面积为116.198 m2 /g，比原始Co-N纳米笼的比表面积为97.464 m2 /g，说明空心结构的形成可以提高样品的比表面积。更重要的是，碳层的引入将进一步增加比表面积。一般来说，比表面积的提高会暴露出更多的活性位点，从而提高模拟酶的催化活性。另一方面，较高的比表面积也可以增加酶模拟物与TMB之间发生着色反应的可能性。此外，样品的孔径分布在2-5 nm范围内。中空N-Co/C纳米笼的XPS测量光谱，其证实了C、N、O和Co元素的存在，与EDX作图的结果一致。C 1 s光谱显示了三个典型的拟合峰，分别属于C=N(287.81 eV)、C-N (284.41 eV)和C-C/C=C(283.60 eV)。N 1 s光谱中两个明显的拟合峰分别对应C-N（399.90 eV）和C=N（397.48 eV）。O 1 s光谱位于532.27和530.16 eV的拟合峰可分别归属于-OH和C-O。
3、为了研究催化剂的氧化酶样活性，用TMB作为探针进行了显色反应。反应溶液在650 nm处显示出强吸收，这表明在没有H2O2的情况下，这些酶模拟物可以将TMB转化为oxTMB。该结果也证明了这些酶模拟物的氧化酶样活性。更有趣的是，与N-Co纳米笼和中空N-Co纳米笼相比，中空NCo/C纳米笼催化的TMB反应产生最大的吸光度，并且显色反应所需的时间最短，这意味着其良好的催化活性。为了更好地评估这些酶模拟物的类氧化酶活性，使用Michaelis-Menten模型对催化剂- TMB体系进行了稳态动力学分析。值得注意的是，空心Co-N/C纳米笼的Michaelis-Menten常数(Km)和最大反应速度(vmax)分别为0.24 mM和5.71 × 10¶3 mM/s。此外，空心Co-N纳米笼的Km和vmax分别为0.15 mM和4.18 × 10¶3 mM/s，而Co-N纳米笼的Km和vmax分别为0.10 mM和3.34 × 10¶3 mM/s。这一结果充分表明，空心结构的构建和碳层的引入可以有效增强纯Co-N纳米笼的类氧化酶活性。更重要的是，与之前报道的其他类氧化酶模拟物相比，制备的空心Co-N/C纳米笼具有更高的Km和vmax值，进一步说明了其优异的类氧化酶活性。pH对空心Co-N/ C纳米笼类氧化酶活性的影响，结果可见空心Co-N/C纳米笼在酸性条件下具有良好的类氧化酶活性。而随着pH值的增加，蓝色反应体系逐渐褪色，说明其氧化TMB的能力较差。添加无机离子(Cl¶、NO3¶、co3.2¶和so4.2¶)对空心Co-N/C纳米笼的类氧化酶活性没有影响，表明其具有良好的抗干扰能力。
4、为了更好地了解空心Co-N/C纳米笼增强的类氧化酶活性，对酶模拟物进行了电化学分析。EIS数据表明与Co-N纳米笼和空心Co-N纳米笼相比，空心Co-N/C纳米笼的半圆明显更小，说明其具有更低的电子转移电阻。Tafel极化曲线显示空心Co-N/C纳米笼的自由腐蚀电位明显低于Co-N纳米笼和空心Co-N纳米笼，说明空心Co-N/C纳米笼具有更高的电子转移速率。样品的CV曲线可以看出，所有样品都有明显的氧化还原峰，这与Co3+/Co2+氧化还原偶的存在有关，表明其具有良好的电化学可逆性。与Co-N纳米笼和空心Co-N纳米笼相比，空心Co-N/C纳米笼的氧化还原峰强度更强，表明其活性位点更多，电导率更好。同时，基于电化学双层电容(Cdl)，通过CV测试确定了不同扫描速度下样品的电催化活性表面积。空心Co-N/C纳米笼的Cdl值(0.0356 × 103 mF/cm2)明显高于空心Co-N纳米笼(0.0183 × 103 mF/cm2)和空心Co-N纳米笼(0.0184 × 103 mF/cm2)，证明空心Co-N/C纳米笼具有更丰富的表面活性位点。综上所述，中空结构的构建可以暴露出更多的活性位点，而碳层的引入可以改善电荷的转移。空心Co-N/C纳米笼在TMB的氧化过程中呈现出巨大的类似氧化酶的性能。
5、为了阐明空心N-Co/C纳米笼作为类似氧化酶的模拟物的催化机理，进行了自由基清除试验。叔丁醇和异丙醇对显色反应均无抑制作用，说明OH•不参与TMB的氧化。可以看出，在显色反应完成前将BQ加入到反应体系中，显色反应完全停止，这表明O2•可能在TMB氧化过程中起重要作用。然而，当BQ完成显色反应后加入反应体系时，也注意到蓝色的oxTMB转化为无色的TMB，这意味着蓝色oxTMB的褪色现象可能与O2•的捕获无关。因此，通过添加BQ很难明确O2•在TMB氧化中的作用。注射N2对TMB的显色反应有一定程度的抑制作用。一般来说，注入N2会降低反应体系中溶解氧的浓度，因此会抑制O2在空心Co-N/C纳米笼上生成O2•的活化。显然，这一结果间接确定了O2•的作用。然而，注入O2对TMB的氧化没有明显的加速作用，推测还有其他的催化机制。为了进一步研究O2•的作用，我们进行了EPR分析，检测到典型的DMPO-O2•峰，很好地证明了O2•在反应体系中的形成。同时，与Co-N纳米笼和空心Co-N纳米笼相比，空心Co-N/C纳米笼可以激活O2，生成更多的O2•，从而促进TMB的显色反应。如上所述，中空结构的构建可以提供更多的活性位点，碳层的引入可以加速电荷的转移。因此，空心Co-N/C纳米笼在O2活化生产O2•方面表现出优异的性能。为了更好地研究空心N-Co/C纳米笼的催化机理，图6d收集了空心co - co /C纳米笼反应前后的高分辨率XPS谱图。由图可知，显色反应完成后，Co3+的比例从35.24%下降到28.53%，而Co3+的比例从46.76%上升到51.41%。这一现象提示Co3+可能在TMB向oxTMB的转化过程中起作用。一般来说，Co2+可以提供电子激活O2生成O2•，这将导致Co3+的积累。结果表明，空心Co-N/C纳米笼中Co3+的含量在显色反应完成后呈下降趋势。重点指出，Co3+的氧化作用也是TMB转化为oxTMB的重要催化机理，与上述结果吻合较好。此外，反应后峰的位置向结合能更高的方向移动，说明空心Co-N/C纳米笼的电子密度降低。这一变化说明Co3+/Co2+的氧化还原对参与了TMB的氧化。得益于Co3+/Co2+氧化还原对的存在，在空心Co-N/C纳米笼上进行了TMB显色反应的重复实验。空心Co-N/C纳米笼在第五次循环时仍然表现出良好的类氧化酶活性，证明其具有良好的可重复使用性。
6、Na2SO3作为典型的具有抗氧化性的食品添加剂，可能能够抑制以TMB为底物的酶促显色反应。更重要的是，具有高稳定性的Cr6+可以被Na2SO3还原。根据这一原理，建立了一种简单的测定Na2SO3和Cr6+的比色法，检测机理示意图如图所示。加入Na2SO3后，反应体系(即TMB +空心Co-N/C纳米笼体系)的吸光度呈下降趋势。在0.5 ~ 6 ppm范围内，吸光度强度与Na2SO3浓度之间存在良好的线性关系，R2 = 0.9929，检出限(LOD)为0.3 ppm。值得注意的是，当Na2SO3和Cr6+同时加入到反应体系中时，图7c显示样品吸光度的降低被抑制。在0.01 ~ 0.3 μM范围内，随着Cr6+浓度的增加，反应体系的吸光度呈线性增加(R2 = 0.9892)， LOD值为0.001 μM。为了进一步评估已开发的检测方法的性能，测定了已知浓度的加标样品的回收率。Na2SO3的平均回收率为98.91% ~ 101.86%，Cr6+的平均回收率为98.72 ~ 99.65%。这些结果表明所建立的分析Na2SO3和Cr6+的比色检测方法是准确和可信的。其他金属离子的加入对比色体系(即空心Co-N/C纳米笼+ TMB + Na2SO3体系)没有影响，表明Cr6+的检测方法具有良好的选择性和特异性。金属离子浸出试验的结果其可用于评估氧化酶样模拟物的结构稳定性。与Co-N纳米笼和空心Co-N纳米笼相比，空心Co-N/C纳米笼仅释放出少量的Co离子，显示出其良好的水稳定性，这归因于碳层的引入。
7、作者给出结论
1、通过简单的方法制备了一种新设计的空心Co-N/C纳米笼，并以TMB为比色底物进一步研究了其类氧化酶活性。
2、中空结构的构建和碳层的引入可以增加模拟酶的比表面积，从而提供更多的活性位点。同时，在这些催化剂中，空心Co-N/C纳米笼表现出优异的界面电荷转移性能。
3、在没有H2O2的情况下，具有高氧化酶活性的空心Co-N/C纳米笼可以有效地将无色的TMB氧化成蓝色的oxTMB。此外，Co3+/Co2+和o2的氧化还原对参与了TMB的氧化。基于空心碳氮纳米笼的氧化酶活性，开发了一种检测Na2SO3和Cr6+的比色传感器。
转自：“科研一席话”微信公众号
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