合理设计具有独特结构的三金属纳米酶用于催化剂中毒机制介导的CO高灵敏检测

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

引言

一氧化碳（CO）不仅是一种带来巨大健康风险的剧毒气体，而且是体内重要的信号分子，因此，无论是在环境安全还是生物医学研究方面，都非常需要开发方便准确的方法来灵敏检测低浓度的 CO。然而，开发替代传统有机发色团的比色探针以实现简单、灵敏和方便的 CO 传感仍然具有挑战性。近日，受到工业催化领域金属催化剂易遭到CO毒化的启发，中国石油大学（华东）曾景斌教授团队首次基于优异的过氧化物酶催化活性以及CO对金属纳米催化剂活性的高度毒化作用，巧妙设计了一种具有独特哑铃型纳米结构的新型三金属AgPt-Fe3O4纳米酶，用于CO的比色传感。实验证据和理论计算表明，与单金属Fe3O4或双金属Ag-Fe3O4相比，三金属AgPt-Fe3O4纳米酶不仅具有提升的类过氧化物天然酶催化特性，而且CO对金属活性中心的亲和力（毒化作用）最明显，这归因于哑铃型独特结构中活性金属位点的充分暴露和金属界面协同作用。因此，该文开发了一种基于纳米酶的新型比色策略，用于溶液中CO检测，检测限低至5.6 ppb。此外，该检测体系可以制备成非常方便的试纸，并与便携式智能手机平台集成，用于检测低检测限为8.9 ppm的一氧化碳气体样品。总体而言，本工作为合理设计新型高性能检测用金属异质结构纳米酶提供了新的视角，扩大了纳米酶的分析应用。

图文导读

纳米酶的合成和催化活性分析

图1：（a）种子生长法三金属纳米酶的合成路线示意图；（b-d）不同纳米酶Ag-Fe3O4、AgPt-Fe3O4的TEM图像；（e）AgPt-Fe3O4的HADDF-STEM图像；（f-j）相应元素分析。

合理设计暴露足够催化位点的金属纳米酶可能会增强CO的中毒效果，并使CO检测具有高灵敏度。图1显示了材料的制备路线，我们首先在水相中利用种子生长-配体交换方法合成了具有独特哑铃型结构的贵金属- Fe3O4杂化纳米颗粒。TEM和元素分析结果表明了新型纳米酶是由金属氧化物Fe3O4和贵金属AgPt组成的混合哑铃状纳米颗粒。受益于这种独特的结构，金属纳米粒子的每一侧都全面暴露在衬底上，轻微的界面电子转移可能导致异质结构之间的良好协同作用，这可以增强不同组分的催化活性，并有利于分子在界面的吸附和相互作用。根据课题组前期工作以及紫外光谱测试和EPR结果，三金属AgPt-Fe3O4具有比单金属和双金属增强的过氧化物酶活性，即催化过氧化氢产生•OH的能力，因此可以用于更加灵敏的显色分析。

CO对金属纳米酶的毒化机制探究

图2：(a)不同纳米酶被等浓度CO毒化后的吸光度下降比较；(b)纳米酶在毒化前后催化过氧化氢分解反应的EPR光谱；(c) CO毒化计算优化模型; (d-e)模拟催化过程与反应能量变化。

为了比较不同金属纳米酶在CO毒化作用下的酶活性抑制效率，将单金属纳米酶Fe3O4、双金属纳米酶Ag–Fe3O4 和三金属纳米酶AgPt–Fe3O4在溶液中与市售CO释放分子CORM-3作为简便安全的一氧化碳源充分混合。反应30min后，测量作用后纳米酶催化显色反应在650nm处吸光度的相对降低和羟基活性自由基的产生情况，结果如图2所示。在3种纳米酶中，CO诱导模拟酶活性毒化的相对抑制作用依次为AgPt–Fe3O4 >Ag–Fe3O4 >Fe3O4.这些结果归因于独特的哑铃状纳米酶异质结构中金属催化位点的有效利用和活性位点充分暴露。

为了深入了解增强的一氧化碳诱导中毒机理，采用DFT计算进一步研究了三种不同纳米酶在CO分子毒化后的过氧化物酶样催化过程。计算了CO在3种不同纳米酶不同催化剂位点上的相对吸附能。结果表明，CO在单金属Fe3O4的顶部位点获得−1.19 eV的吸附能，而在双金属Ag-Fe3O4中CO倾向于吸附在Ag的顶部位点（吸附能：−0.73 eV）。在AgPt–Fe3O4中，CO在Pt的顶部位点显示出优先吸附（吸附能：−1.79 eV）。以最稳定的CO吸附结构为优化模型，进一步探讨了CO对三种纳米酶对过氧化氢分解过程的抑制作用。图2d证明了过氧化氢分子的吸附结构和分解的羟基自由基在3种CO中毒纳米酶（命名为Fe3O4-CO，Ag-Fe3O4-CO，AgPt-Fe3O4-CO）的顶部位点。图2e显示了三种纳米酶上过氧化氢反应能的比较,反应过程可分为过氧化氢吸附和分解两个阶段。如图所示，Fe3O4–CO的第一步吸附能为 0.37 eV，Ag–Fe3O4–CO 的吸附能为 −0.38 eV，AgPt–Fe3O4–CO的吸附能为−1.23 eV，表明过氧化氢更倾向于吸附在三金属结构纳米酶的催化位点上。此外，Fe3O4–CO，Ag–Fe3O4–CO和AgPt–Fe3O4–CO上的过氧化氢分解能分别为-3.55，-3.36和-3.15 eV。该结果表明，在AgPt–Fe3O4–CO的催化表面吸附的过氧化氢分子最难分解，催化的显色反应不易发生。综上所述，CO毒化作用后的三种金属纳米酶对过氧化氢的催化活性遵循Fe3O4–CO >Ag–Fe3O4–CO>AgPt–Fe3O4–CO的顺序，进而对比色体系具有最强的抑制效率，这也与实验结果一致。上述结果表明，具有哑铃状纳米结构的杂化金属纳米酶不仅增强了单个金属纳米酶的催化活性，而且表现出与抑制剂分子的相互作用和中毒作用的增强，从而在两个方面保证比色检测更高的灵敏度。

分析性能

图3：(a) 基于毒化机制的CO比色检测示意图；(b) 相应紫外测试与比色照片结果；（c）工作曲线；（d）对其他干扰物的响应比较。

基于CO对金属纳米酶的毒化和酶活的抑制效应，在优化的实验条件下，我们对CO进行比色测定，图3表明，显色体系的吸光度和颜色随着CO浓度的增加而逐渐降低。在一定浓度范围内建立工作曲线，计算得出该方法的检测限为 5.6 ppb。与其他先前报道的CO比色探针相比（大部分为有机探针）, 基于金属纳米酶的检测方法显示出简单的探针合成过程和令人满意的灵敏度，更重要的是，对于其他常见生物和环境样品中共存物质，该探针具有很高的抗干扰能力。

图4：(a) 基于毒化机制的CO检测工作流程图；(b) 试纸比色照片结果；（c）智能手机分析照片示意；（d）RGB分析与CO浓度关系；（e）线性关系。

为了将该方法进一步扩展到方便、现场的气体分析，我们将显色探针包埋在琼脂中，制备出试纸条。如图4所示，随着气体CO浓度的增加，试纸的颜色逐渐变浅，这与在水溶液中观察到的相似。接下来，通过智能手机应用平台对测试试纸条进行RGB分析（B / G值）。结果表明，B/G值与CO浓度在0–96 ppm范围内具有良好的线性，其中LOD计算为8.9 ppm。这些结果表明，我们提出的比色策略不仅可以实现半定量目视评估，而且可以在手机的帮助下实现对CO气体的定量测定，有望成为未来商业应用的集成平台。

小结

在这项工作中，我们理性设计了一种全新结构的三金属纳米酶，基于其类酶催化活性可以被CO分子高效毒害的事实，提出了一种全新CO比色检测策略。此外，这种传感策略可用于制备非常方便的琼脂凝胶试纸，并与便携式智能手机平台集成，以便在空气中进行方便、准确和比色的一氧化碳检测。总体而言，我们的工作为合理设计对目标分析物具有高响应的金属纳米酶生物传感器提供了新的见解，这将拓宽纳米酶在实际、快速和现场分析中的应用。

转自：“NANO学术”微信公众号

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