1、文献题目
Identifying active site of ultrathin NiCo LDH as efficient peroxidase mimic with superior substrate affinity for sensitive detection of hydrogen peroxide
文献期刊：J. Mater. Chem. B
10.1039/C9TB01652J
2、文献作者
孙庚志，新加坡南洋理工大学博士，中国科学院长春应用化学研究所硕士，郑州轻工业学院本科，南京工业大学先进材料研究院教授、博士生导师、江苏特聘教授。研究方向是1、穿戴电子材料与器件：智能传感器、电子皮肤等。2、能源存储材料与器件：离子电池、超级电容器等。
3、文献提出的科学问题
纳米酶在仿生化学中被广泛研究以模仿蛋白质酶，而活性位点的确定是有效调节其活性的重要条件。
4、分解为几个研究目标
1、利用快速共沉淀法在室温下合成了超薄的NiCo LDH纳米片。
2、通过调节LDH纳米片中Ni和Co的比例，可有效氧化TMB为oxTMB。
3、NiCo LDH以其小的晶粒尺寸、超薄的厚度和可调的组成被用作高灵敏度的H2O2比色检测的纳米酶。
5、研究总体方案
通过调整元素组成确定了NiCo LDHs中的活性位点，发现Co具有较高的过氧化物酶样活性，对H2O2和TMB具有较高的亲和力，这是由于Co3+的强刘易斯酸性和Co3+/Co2+的低氧化还原电位。
6、方法和技术手段
SEM、TEM、XPS、XRD、FT-IR、UV-vis、AFM
7、主要研究成果
1、采用一种简便的快速共沉淀法，在超声下合成了超薄NiCo LDH纳米片。纳米片可以稳定地分散在去离子水中，形成具有丁达尔效应的均匀分散体。通过将起始原料的Ni/Co比从6:1、5:1、4:1和3:1调整到2:1，合成了一系列的NiCo LDHs，它们分别被命名为Ni0.86Co0.14 LDH、Ni0.83Co0.17 LDH、Ni0.8Co0.2 LDH、Ni0.75Co0.25 LDH和Ni0.67Co0.33 LDH。所获得的平均横向尺寸为~26 nm的NiCo LDH纳米片具有良好的透明性，表明其超薄特性。通过原子力显微镜测定的NiCo LDH纳米片的厚度为约2 nm。NiCo LDHs的均匀分散体极其稳定，在室温下放置一个月后没有发生任何明显的凝结。NiCo LDH具有低的结晶度，测得的0.23 nm的晶格条纹归因于其(015)晶面。能量分散X射线光谱元素图(EDS)表明，Ni、Co和O元素均匀分布在LDH纳米片中。通过XRD检测具有不同Ni/Co比的NiCo LDH纳米片的晶体结构。分别位于11.6、23.3、34.9、39.5和62.3的衍射峰属于NiCo LDH (JCPDS编号:330429)的(003)、(006)、(012)、(015)和(113)平面。峰强度非常低表明NiCo LDH的低结晶性质，这与在HRTEM观察到的情况非常一致。值得注意的是，Co含量的进一步增加导致所得LDH纳米片的聚集。在1000和4000 cm-1波数内的Ni0.67Co0.33 LDH的FT-IR光谱显示了M-O (M代表镍或钴)、-OH、NO3 -和CO3 2-的官能团。3425 cm-1和1635 cm-1处的信号可分别归属于层间水分子的-OH拉伸模式和层间水分子的弯曲运动。1384 cm-1处的谱带归因于层间NO3 -和CO3 2-的振动，其中NO3 -来自试剂，而Co32-可能来自大气中溶解的CO2分子。在500～1000cm-1的低波数区的吸收带可归属于M-O和M-O-M的晶格振动模式，这被拉曼光谱进一步证实。500 cm-1附近的两个峰分别对应于Ni-O和Co-O振动模式。XPS分析了LDH纳米片中Ni和Co的价态。除了典型的卫星峰(Sat.)，以855.5和873.3 eV为中心的两个主峰分别对应于Ni2+的Ni 2p3/2和Ni 2p1/2。Co2p的XPS光谱可以分解成两个峰，其中在782.1 eV和796.9 eV处的谱带属于Co2+，而在780.8 eV和796.2 eV处的结合能处的峰属于Co3+，这表明在合成过程中Co2+被部分氧化成Co3+。
2、使用H2O2和TMB作为典型底物首次证明了NiCo LDH的过氧化物酶样活性。在NiCo LDH的存在下，加入H2O2后TMB被氧化成蓝色产物，伴随着在652 nm (λmax)的强吸收。在NiCo LDH中Co的含量相对于Ni可以从0到33 at%连续调节。应该注意的是，在没有Co的情况下，Ni(OH)2纳米片对H2O2检测显示出适度的催化活性，而随着Co含量的增加，NiCo LDH纳米片的过氧化物酶样活性单调增加，具有显著的改善，这种增强主要是由于Co的引入。在以下实验中，我们选择Ni0.67Co0.33 LDH作为用于比色检测H2O2的示例纳米酶。类似于天然酶，例如HRP，Ni0.67Co0.33 LDH的催化活性也显示出对pH和温度的依赖性。一方面，通过将PBS溶液的pH值从2.58调节至10.04，λmax处的最大吸光度在pH=5.39处达到峰值，这与先前的报道非常一致，即H2O2催化氧化TMB的最佳条件是在弱酸中。在28至60℃的范围内检查了温度依赖性活性，发现λmax处的最强吸光度位于46℃(图S5b)。在最佳条件下，通过典型的稳态动力学实验研究了Ni0.67Co0.33 LDH的催化机理，分别作为TMB和H2O2浓度的函数。米氏曲线被绘制为H2O2和TMB的浓度的函数。
3、相应的Lineweaver-Burk图显示在插图中，根据该图计算了该系统的米氏常数(Km)和最大反应速度(Vmax)。较高的Km值表明酶与底物之间的亲和力较弱。与HRP和氧化物/氢氧化物基纳米酶(NiO、Fe3O4、 Fe2O3纳米立方、Co3O4、Fe/CeO2、CoAl LDH、DNA/CuAl LDH、C-dot/NiAl LDH、ZnFe2O4、NiFe LDH、CeO2、V2O5和CoOOH)相比，以H2O2和TMB为底物的Ni0.67Co0.33 LDH的Km值分别为0.061和0.048 mM，这表明Ni0.67Co0.33 LDH对H2O2和TMB的亲和力更高。为了实验阐明反应机理，采用对苯二甲酸(TA)作为高灵敏度和选择性的荧光探针捕捉原位生成的•OH。弱荧光TA可以与•OH反应生成2-羟基对苯二甲酸(HTA)，其特征荧光发射在430 nm左右，添加Ni0.67Co0.33 LDH纳米片后，荧光强度显著增强，证明产生了•OH。因此，可以得出Ni0.67Co0.33 LDH具有过氧化物酶样活性，通过催化H2O2分解生成•OH，促进TMB(无色)氧化为oxTMB(蓝色)。
4、根据硬-软-酸碱理论，通过考虑Ni2+、Co2+和Co3+的电荷和半径，位于Ni0.67Co0.33 LDH中主体层的金属活性位点的路易斯酸度遵循Co3+>Ni2+>Co2+，其中Co3+被认为是“硬酸”，而Ni2+和Co2+被称为“边界酸”。含氨基(-NH2)的TMB只有一个孤对电子，可视为“硬碱”。通常，硬酸倾向于结合到硬碱上，而软酸倾向于结合到软碱上。因此，在Co3+和TMB之间可以实现良好的亲和力。关于H2O2的分解，已经证实具有可变价态的金属位点(例如，Fe和Co)具有良好的遵循Haber-Weiss机理的催化能力:分别为Fe2 ++ H2O 2→Fe3 ++ OH+OH-和Co2 ++ H2O 2→Co3 ++ OH-+OH。在Ni0.67Co0.33 LDH中，Co3+/Co2+的氧化还原电位低于NiO2/Ni2+的氧化还原电位，这使得它们对H2O2具有良好的亲和力，并易于引发H2O2的自由基反应。值得注意的是，Co3+负责吸附TMB，而Co2+充当H2O2分解的催化位点。与小晶粒尺寸、低结晶度、超薄厚度、可调组成和双功能Co位点一起，Ni0.67Co0.33 LDHs表现出更高的过氧化物酶样活性。反应过程总结在图4中:主体层上的金属活性位点(Co)首先吸收H2O2和TMB(步骤1)；随后，H2O2在酸性条件下被催化分解成OH和羟基(OH)(步骤2)，它们将TMB氧化成蓝色的oxTMB，伴随着水分子的形成；最后，oxTMB和水分子从LDH中解吸出来(步骤3)。
5、采用Ni0.67Co0.33 LDHs作为纳米酶，通过监测从无色TMB到蓝色oxTMB的颜色变化，使用比色法来确定H2O2的浓度。图中显示了不同水平的H2O2 (pH 5.39，46℃)的典型紫外-可见吸收光谱。正如所料，随着H2O2浓度的增加，652 nm处的吸光度增加，蓝色逐渐加深。图中所示的线性校准图的范围为0.01至1.256 mM。基于LOD=3σ/slope公式的LDO经计算为0.48微米，其中σ是背景变化的标准偏差。与基于H2O2的其他传感器相比，例如DNA/CuAl-LDH、Co3O4纳米颗粒、Ni-Bi/CC、Pt-DNA复合物、Co3N NW/CF、Cu3N NW/CF、Ni2P NA/TM，Ni0.67Co0.33 LDHs表现出优异的传感性能，具有更高的灵敏度和更低的LOD。为了证明所建立的基于Ni0.67Co0.33 LDHs的H2O2传感器的选择性，通过引入包括葡萄糖、蔗糖、Na+、K +、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)和柠檬酸(CA)的潜在干扰物来进行一系列对照实验，这些干扰物的浓度比标准H2O2 (1 mM)的浓度高十倍。在最佳条件下(pH 5.39，46℃)，可以明显看出这些干扰物在652 nm处具有相对较弱的吸光度，表明它们在H2O2检测中的影响可以忽略。
8、作者给出结论
1、利用快速共沉淀法在室温下合成了超薄的NiCo LDH纳米片，其平均横向尺寸为26 nm，具有类似过氧化物酶的活性。
2、通过调节LDH纳米片中Ni和Co的比例，可以调节活性，并且过氧化物酶样活性可以归因于Co位点，在该位点上，H2O2催化分解产生·OH，然后将吸收的TMB氧化成oxTMB。
3、NiCo LDH纳米片被用作比色检测H2O2的纳米酶，并且实现了0.48微米的LOD。我们的研究揭示了NiCo LDH的活性位点，并为下一代模拟酶系统的合理设计提供了线索。
转自：“科研一席话”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
