1、文献题目
Boosting the Catalase-Like Activity of SAzymes via Facile Tuning of the Distances between Neighboring Atoms in Single-Iron Sites
文献期刊：Angew. Chem. Int. Ed.
10.1002/anie.202316779
2、文献作者
陈虹宇，广西大学轻工与食品工程学院，副教授，先进能源科学与技术广东省实验室，兼任副研究员。主要研究方向是基于HOF框架结构的生物质先进材料改性、纳米酶设计及其仿生催化研究、超分子模拟酶仿生催化。
纪红兵，中山大学化学与化学工程学院，教授。中国化工学会会士、国家重点研发计划项目首席科学家。主要从事绿色化工技术、环境友好的催化过程及化工园区管理等方面研究。
3、文献提出的科学问题
具有单原子位点的纳米酶(SAzymes) 由于具有良好的电子和几何结构可以自动模仿天然酶的高度进化的活性位点。邻近活性位点之间的原子间距已经揭示了对单点催化剂(SACs)催化途径的重大影响，然而邻近原子位的埃尺度合成通常具有很大的挑战。
4、分解为几个研究目标
1、通过机械辅助原位封装MOF策略制备邻近的M2-SAzymes。具有邻近单铁位点的SAzyme (Fe2-SAzyme)活性是随机Fe1-SAzyme的两倍，并且具有与天然过氧化氢酶相似的超低Km。
2、通过实验测定结果原子间间距调节策略将过氧化氢酶/过氧化物酶的选择性增加了约6倍。
3、通过理论和实验解释支持成对的单铁位点可以作为分子钳，协同氢键诱导的端桥吸附有效地捕获和分解H2O2为O2。
5、研究总体方案
利用机械辅助的原位MOF封装策略，便捷地调整邻近的Fe SAzyme (Fe2SAzyme)的原子间距。从而使得成对的单铁位点可以作为分子钳，协同氢键诱导的端桥吸附有效地捕获和分解H2O2为O2。
6、方法和技术手段
SEM、ac-HAADF-STEM、XRD、FT-IR、UV-vis、DFT、Fluorescence microscopy
7、主要研究成果
1、通过球磨原位构建咪唑酸分子筛骨架(ZIF-8，空腔直径= 11.6 Å)，以分子包住分散良好的双(环戊二烯基)四羰基二铁(Fe2Cp2(CO)4，直径= 6.6 Å)。在惰性气氛下900℃热解后，所得Fe2Cp2(CO)4´ZIF-8 (Fe2-ZIF8)粉末炭化成氮掺杂多孔碳，同时，被ZIF-8笼屏蔽的铁原子可能会均匀地形成由氮种锚定的铁原子对(ICP-OES测定的0.41 wt%铁负载)。从XRD图和TEM图可以看出，Fe2-SAzyme中Fe物种高度分散，并继承了扫描透射电镜(STEM)和BET所显示的类似zif -8的多孔结构。相应的元素图进一步表明Fe2-SAzyme上的Fe物种分布均匀。经像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(ac-HAADF-STEM)图显示Fe2-SAzyme中的大量亮点成对出现，并以黄色圆圈标记，这与Fe1-SAzyme中随机分散的斑点明显不同。强度分布图显示的两个相邻铁原子之间的距离为2.98~3.36Å，与通过放大程序获得的结果(2.98 ~ 3.50Å)非常一致，表明成对单原子离子之间的间距可控性良好，甚至高达1000克的规模。为了进一步阐明 Fe2-SAzyme 的结构，研究人员进行了 X 射线吸收近边缘结构（XANES）、扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）和小波变换（WT）。如XANES光谱所示，Fe2-SAzyme的近边特征非常类似于Fe1SAzyme，只是稍微向低能移动，揭示了均匀成对Fe原子中增加的电子密度。它们的曲线都位于Fe箔和FePc的曲线之间，清楚地表明Feδ+ (0 < δ < 2)具有相似的独特氧化态。根据它们的k3加权光谱的EXAFS傅立叶变换(FT ), Fe1-SAzyme和Fe2-SAzyme都在1.48 Å附近显示出显著的峰，类似于铁酞菁中的铁-氮散射的第一壳层(FePc，Fe-N路径，1.48 Å)。考虑到不存在归属于Fe-Fe键的强峰，这些结果证实了Fe位置的原子分散。由于k和R空间中WT分析的高分辨率，Fe2-和Fe1-SAzyme (1.48 Å，5.36 Å -1，Fe-N)中显示出低k值与FePc的类似。与Fe箔相比，没有观察到高k值(2.20 Å， 8.42 Å−1,Fe-Fe)，进一步加强了Fe原子的单色散，没有与重原子配位。总的来说，所有的发现都合理地支持Fe2SAzyme中邻近的铁原子可能表现出独特的双星状结构，并且根据大量的EXAFS实验，每个铁原子都具有Fe−N4构型。
2、首先，通过测量室温下H2O2分解O2的体积来表征Fe2-SAzyme的过氧化氢酶样活性。以10 wt% H2O2为参考， Fe2-SAzyme在20 s内将42.7% H2O2高效分解为O2，显著优于Fe1-SAzyme(19.8%)、Fe NPs/N-C(12.0%)和N-C(0.004%)等对比材料。通过Michaelis-Menten动力学实验定量评估了过氧化氢酶样活性(5-100 mM H2O2)。Fe2-SAzyme对H2O2的Vmax (6.074 ×10-3 mM/s)是Fe1-SAzyme的1.53倍。值得注意的是，Fe2-SAzyme对H2O2具有超高的亲和力，其催化动力学Km值(22.86 mM)与天然过氧化氢酶(17.8~110 mM)相似。随后，我们检测了放大样品(Fe2-SAzyme-100和-1000)的性能，发现过氧化氢酶样活性保持良好(转化率> 90%，~2000 s-1)。对于Fe2-SAzyme和参考文献的稳健性，我们对其在不同pH值下，有和没有PBS缓冲液(磷酸盐缓冲盐水)的过氧化氢酶样活性进行了筛选。从图中可以看出，无论是酸性环境(pH 3时1739 s-1)还是碱性环境(pH 11时1801 s-1)，与pH 7时2091 s-1相比，只有轻微的波动(<17%)，这可能与H2O2的亚稳性有关。令人惊讶的是，参考的Fe2-SAzyme在pH 3 (545 s-1)时被显著抑制，几乎是pH 7 (954 s-1)时的一半，这可能表明成对的Fe2-SAzyme和随机的Fe1-SAzyme之间内在催化途径的区别。
3、我们通过在类似于辣根过氧化物酶的条件下氧化3，3’，5，5’-四甲基联苯胺(TMB)来表征Fe2酶的过氧化物酶样活性。无色的TMB在H2O2的存在下会被SAzyme逐渐氧化成相应的蓝色衍生物(oxTMB)。与Fe1-SAzyme的溶液相比，在Fe2-SAzyme的存在下获得了较浅颜色的溶液。原位紫外-可见光谱进一步区分了它们的过氧化物酶样活性为12.87和25.38 U mg–1，分别对应于Fe2-和Fe1-SAzyme。考虑到它们各自的过氧化氢酶特异性活性， Fe2-SAzyme的过氧化氢酶/过氧化物酶选择性已经达到3.23，异常地增加到Fe1SAzyme的5.87倍。这一结果清楚地表明，原子间距的调整可以显著地改变Fe-SAzymes的催化选择性。为了加强我们的推测，我们进一步使用对苯二甲酸(TA)来原位捕获羟基自由基(•OH)，这是Fe-SAzyme在过氧化物酶模拟过程中从H2O2中均解的关键中间体。由于高的•OH亲和力和良好的荧光衍生HTA(2-羟基对苯二甲酸)，TA通常用于选择性捕获•OH。TA荧光实验显示，•OH含量随Fe2-SAzyme浓度的增加而明显降低，甚至低于Fe1-SAzyme浓度。作为对照，N-C变化不显著。DMPO的自旋阱实验进一步证明了短寿命的•OH被Fe2-SAzyme有效清除。结合TMB氧化实验，所有研究结果都有力地支持了原子间距调整策略显著抑制了竞争性过氧化物酶途径，这一途径本质上源于FeN4中心。
4、上述结果表明了Fe2-SAzyme中基于邻近Fe位点的协同催化机制，可能与Fe1-SAzyme相反。受到端桥吸附模型在邻近Ir位点辅助H2O光氧化中的显著动力学优势的启发，我们进行了密度泛函理论(DFT)计算。邻近的Fe位点可能首先被氧化成双Fe(IV)=O状态(Fe2-int2)，类似于Fe1-SAzyme的初始催化中间体(Fe1-int1)。通过比较Fe1-int2对H2O2的端对吸附，Fe2-int2可能作为分子捕获，通过氢键相互作用诱导端桥吸附，方便地捕获单个H2O2分子。Mavrikakis等人先前报道，由此产生的超分子复合物Fe2-int3在能量上倾向于分解和释放O2。同时，邻近的Fe(IV)=O都被部分还原成Fe(III)-OH，形成Fe2-int4，在氢键的辅助下进一步吸附1个H2O2分子。最后，Fe2-int5复合物会释放一个O2和两个H2O来再生Fe2-SAzyme。显然，协同氢键助剂对于绕过H2O2中高能O-O键的解离至关重要，这可能是上述Fe2-SAzyme的超低动力学Km值(几乎是Fe1-SAzyme的一半)和pH不敏感的原因。Fe1-SAzyme在pH为3时活性出奇的低，这可能是由于质子化的H2O2对分离的FeN4中心亲和力低(int1→int2)。为了推导Fe2-和Fe2-酶的本征速率决定步骤(R.D.S ),进一步研究了相应的吉布斯自由能分布。Fe2-SAzyme循环中的R.D.S被确定为Fe2-SAzyme的最终再生步骤，势垒为0.14 eV(int 5→int 1)，与之相比，Fe1-SAzyme的R.D.S .势垒要高得多(0.40 eV，int2 → int3)。这些结果进一步加强了相邻原子间距工程所取得的显著能量优势。
5、为了进一步证实所建立的方案的合成效用，通过引入替代金属配合物作为ZIF-8笼的客体，成功制备了Ir2-ZIF8、Ir2-ZIF8-1000和Pt2-ZIF8-1000。所得的Ir2-ZIF8、Ir2-ZIF8-1000和Pt2-ZIF81000前体的XRD图都与ZIF8的XRD图非常匹配，表明Ir2和Pt2复合物的分子分散被ZIF-8笼密封，甚至高达1000克规模。相应的TEM/STEM、XRD和元素映射图像都支持碳化衍生物(Ir2-SAzyme、Ir2-SAzyme-1000和Pt2-SAzyme1000)不含纳米颗粒(NPs)，元素均匀分布在N-C载体中，这可能表明Ir/Pt物质原子级分散。ac HAADF-STEM进一步显示成对的Ir原子分散在Ir2-SAzyme和Ir2-SAzyme-1000上，良好控制的原子间距分别为5.07~6.17Å和5.20~6.21Å 。对于Pt2-SAzyme-1000，其相邻的铂原子也具有双星状结构，相邻铂原子之间的对应距离为3.04~4.02Å。
8、作者给出结论
1、开发了一种机械辅助原位封装MOF策略，用于制备邻近的M2酶。作为典型代表，具有邻近单铁位点的SAzyme(Fe2-SAzyme)可以作为生物启发的过氧化氢酶模拟物，其活性是随机Fe2-SAzyme的两倍，并且具有类似于天然过氧化氢酶的超低Km。
2、原子间间距调节策略进一步抑制了竞争性过氧化物酶样活性，将过氧化氢酶/过氧化物酶的选择性增加了约6倍于Fe1-SAzymes，其将优选的活性从产生(即Fe1-SAzymes)切换到清除ROS(即Fe2SAzymes)。
3、它可以提高光动力疗法的效率，通过利用癌症组织中相对丰富的H2O2来抑制肿瘤。理论和实验解释支持成对的单铁位点可以作为分子钳，通过协同氢键诱导的端桥吸附有效地捕获和分解H2O2为O2。
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