以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes
研究背景
具有类过氧化物酶(POD)活性的纳米酶相较于天然酶具有成本低、稳定性高、生产方便等诸多优势，在近几年受到了研究者们的广泛关注。贵金属具有较高的表面功能化程度，优良的生物相容性，可调的理化性质和优良的本征类酶活性，是非常好的天然酶的替代品，并在生物传感、环境治理、疾病诊断与治疗等领域得到了广泛的应用。但是纳米酶和天然酶的催化活性之间仍然具有非常大的差距。纳米酶发展至今，大量的研究者们致力于调控纳米酶的催化活性。然而在纳米酶催化活性提升的同时，特异性的缺乏导致其通常具有多酶活性，这给其在生物传感中的应用增添了阻碍。因此，如何调控纳米酶实现其催化活性和特异性的同时提升是推广其应用的一个关键性问题。
近期，华中师范大学朱成周教授团队和北京大学郭少军教授团队合作报道了具有高指数晶面的金属间化合物Pt3Sn（H-Pt3Sn）能够同时实现纳米酶催化活性与特异性的提升。在本研究中，以乙酰丙酮钯和二氯化锡为前驱体，通过溶剂热法合成了H-Pt3Sn。一方面，相比于原子排列无序的合金结构，金属间化合物具有有序的原子排列和可控的结构、几何和电子效应，有利于提升纳米酶的催化性能。另一方面，由于高指数晶面的高折射率面的缺陷密度高，材料表面的配位原子数多等优势，可以提供更多催化活化活性位点，进一步提高其催化性能。研究表明，H-Pt3Sn具有优异的类POD活性和可忽略的类氧化酶（OXD）和类过氧化氢酶(CAT)活性，对H2O2活化具有优异的催化特异性，有利于实现高灵敏和高准确度的比色传感。最后，将H-Pt3Sn用于纳米酶联免疫吸附实验，实现了对癌胚抗原的高灵敏和高准确性免疫比色检测。
图1 晶相工程调控具有高指数晶面的金属间化合物H-Pt3Sn用于免疫分析
研究内容
具有高指数晶面的金属间化合物H-Pt3Sn的制备及表征
图2 H-Pt3Sn的（a）TEM图像，（b）HRTEM图像，以及（c）结构模型和相应的2D原子模型（蓝色球代表Pt原子；灰色球代表Sn原子；紫色线代表（1 1 0）晶面；黄色线代表（2 1 0）晶面。（d-g）H-Pt3Sn的HAADF-STEM图像和相应EDS能谱图。H-Pt3Sn以及相关材料的（h）XRD图谱，（i）EPR图谱，以及（j）的Pt 4f的高分辨率XPS图谱。
通过溶剂热法合成了具有高指数晶面的金属间化合物H-Pt3Sn，研究发现其具有立方体的形态和非常均一的尺寸。TEM（图2a，图2b），HRTEM（图2c）及EDS能谱图（图2d-g）验证了H-Pt3Sn的立方体形貌及均匀分布的Pt和Sn原子。HRTEM和XRD验证了H-Pt3Sn具有（5 4 0）的高指数晶面。不同于Pt, H-Pt3Sn和Pt3Sn在31.59°和50.97°处的特征衍射峰分别归属于(1 1 0)和(2 1 0)面，证明了其金属间化合物结构（图2d）。EPR谱图（2e）验证了 H-Pt3Sn中存在丰富的未成对电子和缺陷（图2e）。XPS谱图（图2e）显示三种纳米酶中Pt主要价态是0价，且在掺入Sn后，Pt的峰位置发生了负移，说明Sn将电子转移到Pt。
纳米酶性能研究
图3 （a）H-Pt3Sn纳米酶类POD活性的示意图。（b）纳米酶催化的H2O2-TMB体系的紫外可见吸收光谱。（c）相关纳米酶的比活性比较。（d）不同纳米酶的类POD和OXD活性比较。ln(k)与1/T的阿伦尼乌斯图用于分析纳米酶（e）类POD和（f）类OXD活性的活化能。
通过经典的TMB显色实验验证了H-Pt3Sn类过氧化物酶活性（图3a）。结果表明H-Pt3Sn具有最好的类过氧化物酶活性（图3b）。且相较于已报道的诸多材料具有显著优势（图3c）。图3d证明H-Pt3Sn类OXD活性非常弱，具有良好的催化特异性。通过阿伦尼乌斯方程，测定了反应的活化能。对于纳米酶的POD活性，H-Pt3Sn具有最小的活化能。而对于纳米酶的OXD活性，H-Pt3Sn和Pt3Sn的Ea为负数，这表明其OXD活性可忽略。
纳米酶催化机理研究
图4 （a）纳米酶催化体系中对H2O2催化的循环伏安曲线图。（b）纳米酶催化体系中对氧气催化O2的循环曲线图。（c）H-Pt3Sn催化氧化TMB分子的原位全反射傅立叶变换红外光谱图。（d）H-Pt3Sn催化氧化H2O2分子的原位全反射傅立叶变换红外光谱图。（e）纳米酶催化体系添加Fe2++H2O2和Fe2+的EPR光谱。（f）异丙醇作为羟基自由基捕获剂的时间-吸光度曲线。
使用纳米酶修饰的玻碳电极在N2饱和的醋酸盐缓冲液中通过电化学测试评价了纳米酶对于 H2O2和O2的催化能力（图4a，图4b）。结果表明H-Pt3Sn对于H2O2的催化能力最强，对于O2的催化能力最弱。为了验证纳米酶催化反应的活性中间体，原位红外分别验证了反应过程中H2O2和TMB的变化（图4c-d）。结果表明H-Pt3Sn通过一步两电子反应催化H2O2均裂产生OH*。图4e和图4f证明了H2O2均裂后产生的羟基自由基更倾向于吸附在纳米酶的表面而发挥其催化作用。
图5 （a）Pt和H-Pt3Sn模型的结构。（b）吸附在纳米酶表面上的O2和H2O2的几何结构示意图。（c）酸性环境中纳米酶催化反应的基本步骤示意图。（d）纳米酶催化反应过程的能量变化图。
具有较小晶格参数的Sn原子插入铂的晶格会引起晶格失配产生应变效应（图5a）。晶格的收缩会导致d带中心的上移，有利于加强吸附反应中间体。H-Pt3Sn上吸附的O2和H2O2中O-O键距离分别1.381和1.531 Å，这在三种纳米酶中O-O键的长度分别是最短和最长的（图5b）。O-O键距离越长表明其越容易解离，证明H-Pt3Sn更易于催化H2O2。此外，通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了纳米酶类POD活性催化作用机制（图5c）。结果表明三种纳米酶均倾向于H2O2均裂路径。并且H–Pt3Sn吸附H2O2的分裂能和速率决定步骤的能垒均显著降低，这表明H–Pt3Sn更有利于发挥其类POD酶活性。
纳米酶联免疫吸附测定癌胚抗原
图6 （a）用于癌胚抗原检测的NLISA比色传感示意图。（b）NLISA检测的线性范围图。（c）基于H-Pt3Sn的NLISA体系选择性分析。（d）医院化学发光法与NLISA检测结果的相关性分析。
癌胚抗原（CEA）是癌症病人体内的常见生物标志物，精确的CEA检测对于临床诊疗具有重大意义。基于H-Pt3Sn优异的类POD活性，将其用于对CEA的纳米酶联免疫吸附测定（图6a）。如图6b-c所示，本文分别测试了三种纳米酶和HRP构建的免疫分析实验的线性范围及检测限，其中基于H-Pt3Sn构建的NLISA具有最宽的线性检测范围（1-4000 pg mL-1）和最低的检测限（0.49 pg mL-1），相比于天然HRP构建的ELISA具有明显优势。同时，与以往的报道相比，H-Pt3Sn对CEA的检测在灵敏度方面也表现出明显的优势。图6d证明了NLISA与医院化学发光法检测CEA的结果相一致，具有良好的相关性。因此，H-Pt3Sn-NLISA在临床诊断中具有潜在的应用价值，并可扩展到其他生物标志物的检测。
总结与展望
本研究通过溶剂热法合成了具有高指数晶面的金属间化合物Pt3Sn(H-Pt3Sn)。H-Pt3Sn具有优异的类过氧化物酶活性，其比活性为345.3 U/mg，是Pt的1.82倍。此外，H-Pt3Sn具有可忽略的类氧化酶和类过氧化氢酶活性，对H2O2活化具有优异的催化特异性。实验和理论计算表明，与Pt3Sn和Pt相比，H-Pt3Sn吸附H2O2的分裂能和速率决定步骤的能垒均显著降低。基于H-Pt3Sn的高活性与高特异性，它被成功用于构建纳米酶联免疫吸附实验，实现了对癌胚抗原准确和灵敏的免疫比色检测。该工作不仅开发了提升贵金属纳米酶的催化活性和特异性的新方法，同时也拓展了其在生物传感领域的实际应用。
转自：“NANO学术”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
