Nanozymen zijn katalytische nanomaterialen met enzymachtige eigenschappen die recentelijk enorm veel belangstelling hebben gewekt. De katalytische nanomaterialen bieden unieke voordelen van lage kosten, hoge stabiliteit, afstembare katalytische activiteit en gemak van massaproductie en opslag. Deze eigenschappen zijn zeer wenselijk voor een breed scala aan toepassingen in biosensing, tissue engineering therapieën en milieubescherming. Echter, conventionele nanozyme-technologieën worden geconfronteerd met kritieke uitdagingen in verhouding tot hun grootte, samenstelling en facetafhankelijke katalyse, naast de inherent lage dichtheid van de actieve site.

Nu aan het schrijven wetenschappelijke vooruitgang , Liang Huang en collega's van de afdelingen Elektroanalytische Chemie en Natuurkunde in China beschrijven de ontdekking van een nieuwe klasse enkel-atoom enzymen met atomair verspreide enzymachtige actieve plaatsen in nanomaterialen. De sites verbeterden de katalytische prestaties van de nanozymen met één atoom aanzienlijk en de wetenschappers ontdekten hun onderliggende mechanisme met behulp van oxidase-katalyse als een experimentele modelreactie naast theoretische berekeningen. Ze onthulden de katalytische activiteiten en het gedrag van nanozymen met één atoom die een koolstofnanoframe bevatten (enkel atoom / koolstofnanoframe:SA / CNF) en opgesloten FeN ₅ actieve centra (FeN ₅ SA/CNF) om de natuurlijke axiale ligand-gecoördineerde heem van cytochroom P450 na te bootsen voor veelzijdige antibacteriële toepassingen. De resultaten suggereren dat de nanozymen met één atoom een ​​groot potentieel hebben om de nanozymen van de volgende generatie te worden voor toepassingen in nanobiotechnologie.

Sinds de ontdekking van de peroxidase-achtige activiteit van ferromagnetische nanodeeltjes in 2007, wetenschappers hebben verschillende nanozymen ontwikkeld met behulp van materialen zoals metaaloxiden, edele metalen, koolstofmaterialen en metaal-organische raamwerken (MOF's). Echter, twee hedendaagse uitdagingen blijven in nanozyme-technologieën, waarbij (1) de actieve plaatsen met lage dichtheid een lagere katalytische activiteit vertoonden in vergelijking met natuurlijke enzymen, en (2) de inhomogene elementaire samenstelling zou katalytische mechanismen kunnen compliceren. Door deze knelpunten wetenschappers hebben het een uitdaging gevonden om de precieze plaatsen en oorsprong van enzymatische activiteit te ontdekken, het beperken van uitgebreide toepassingen van conventionele nanozymen.

In het huidige werk, Huang en zijn collega's probeerden deze problemen op te lossen door een nieuwe klasse nanozymen met één atoom te ontdekken die de modernste technologie met één atoom bevatten om inherente enzymachtige actieve sites te ontwikkelen. De wetenschappers toonden aan dat de atomair verspreide metaalcentra de efficiëntie en dichtheid van actieve plaatsen in de nieuwe nanozymes-architectuur maximaliseerden. Ze gebruikten de goed gedefinieerde coördinatiestructuur om een ​​duidelijk experimenteel model te bieden tijdens onderzoek naar het werkingsmechanisme. Huang et al. rapporteerde een effectieve en algemene methode om de zeer actieve nanozymen met één atoom te synthetiseren door de ruimtelijke structuren van actieve centra in natuurlijke enzymen na te bootsen.

Ze gebruikten oxidase-katalyse als een modelreactie en voltooiden theoretische berekeningen en experimentele studies. De wetenschappers identificeerden de hoogste oxidase-achtige activiteit van FeN ₅ SA/CNF resulteert via het synergetische effect en het elektronendonormechanisme. Van belang, Moeras ₅ SA/CNF vertoonde meer dan 17 tot 70 keer hogere oxidase-achtige activiteit in vergelijking met vierkant vlak FeN ₄ katalysator en de commerciële Pt/C (platina-op-koolstofkatalysator) met genormaliseerd metaalgehalte. De resultaten verklaarden het onverwachte oxidase-achtige duweffect van axiale coördinatie in FeN ₅ SA/CNF en zijn aanzienlijk verbeterde katalytische activiteit, vergeleken met de conventionele nanozymen.

Om de FeN . te synthetiseren ₅ SA/CNF, Huang et al. ontwierp eerst een gastheer-gaststructuur van metaal-organisch raamwerk (MOF) -ingekapseld ijzerftalocyanine (FePc:FePc@Zn-MOF). Deze structuur zou verschillende metalen kunnen bevatten om ijzerftalocyanine (FePc) te vervangen in latere experimenten als MPc, waarbij M varieerde van mangaan (MnPc), nikkel (NiPc), koper (CuPc) tot kobalt (CoPc) en pyrolyseerde de voorloper bij 900 ⁰ C onder stikstofgas om de nanozymen met één atoom te verkrijgen.

De wetenschappers hadden eerder aangetoond dat vierkante vlakke FeN ₄ plaatsen zouden behouden blijven tijdens calcineringsreacties van ijzerporfyrine en FePc (ijzerftalocyanine), maar bij afwezigheid van ondersteuning, de monodisperse sites geagglomereerd tot nanodeeltjes. In het huidige syntheseproces is daarom de wetenschappers isoleerden de FeN ₄ sites opgesloten in de koolstofnanoframes en ze gecoördineerd met het pyridine-stikstof (N) -substraat om het meer thermodynamische en stabiele FeN te genereren ₅ /C-sites.

De wetenschappers karakteriseerden vervolgens de morfologie en structuur van FeN ₅ SA/CNF met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om het spoelvormige FePc@Zn-MOF te onthullen als een dominant product met uniforme morfologie. Ze merkten op dat de holle holtes en poreuze schillen het substraat een hoog specifiek oppervlak gaven en overvloedige hiërarchische nanoporiën.

De röntgendiffractiepatronen (XRD) gaven aan dat de kristalstructuur van Zn-MOF geen significante veranderingen onderging na het inkapselen van FePc in situ, terwijl het Fourier-transformatie-infrarood (FTIR) -spectrum van FePc@Zn-MOF de succesvolle inkapseling van FePc verifieerde. Vervolgens, door gebruik te maken van spectroscopie met elektronenenergieverlies, de wetenschappers toonden aan dat de Fe- en N-atomen homogeen verdeeld waren over het hele domein, wat de generatie van Fe-N-plaatsen in 3D-matrices aangeeft.

Huang et al. analyseerde de atomaire structuur van FeN ₅ SA/CNF om aan te tonen dat het coördinatiegetal van het Fe-atoom bijna vijf was – om de vorming van vijf Fe-N te bevestigen ₅ delen. Om de onderliggende structuur van de katalytische mechanismen te begrijpen, de wetenschappers gebruikten ook Mössbauer-spectroscopie (gebruikt om de oxidatietoestand van ijzer te bepalen) en onderzochten de elektronenstructuur en ijzer (Fe) coördinatie. Vervolgens bepaalden ze de oxidase-achtige activiteiten van FeN ₅ SA/CNF met behulp van colorimetrische testen en de oxidatie van TMB (3, 3, 5, 5-tetramethylbenzidine) als een katalytische modelreactie om de interactie van zuurstofmoleculen met FeN . te begrijpen ₅ SA/CNF in verschillende omgevingen.

De resultaten toonden de intense katalytische activiteit van FeN ₅ SA/CNF tijdens de reductie van zuurstof en de wetenschappers schreven de oxidatiesnelheid van TMB toe aan de zuurstofconcentratie. Huang et al. bestudeerde vervolgens vergelijkend de oxidase-achtige activiteiten van FeN ₅ SA/CNF vs. MN ₅ SA/CNF waar ze M vervingen door verschillende metalen van Mn, Fe, Co, Ni en Cu. Ze toonden de katalytische snelheid van FeN ₅ SA/CNF de hoogste (17 orders hoger dan FeN .) ₄ SA/CNF) via duidelijke kleurveranderingen in de tijd.

Toen Huang et al. vergeleek de enzymatische activiteit met conventionele enzymen die eerder werden gebruikt, ze merkten op dat FeN ₅ SA/CNF behield een relatief veel betere oxidase-achtige activiteit. Van belang, de katalytische snelheid van de nieuwe nanozymen was 70 keer groter dan de commerciële Pt/C. Op basis van de experimentele resultaten, de wetenschappers valideerden dat mechanisch het centrale metaalatoom en de axiale vijf-N-gecoördineerde structuur belangrijk waren voor de superieure oxidase-achtige activiteiten van nanozymen met één atoom.

Als praktische toepassing van katalytische activiteit met hoge oxidatie, de enkelvoudige atoom nanozymen van FeN ₅ SA/CNF zou reactieve zuurstofsoorten kunnen genereren tijdens de katalytische reductie van zuurstof, die het membraan van bacteriën kunnen aantasten voor effectieve antibacteriële acties. Om de antibacteriële activiteit te beoordelen, Huang et al. voerde in vitro-experimenten uit en ontdekte de overlevingspercentages van Escherichia coli en Staphylococcus aureus cellen bij blootstelling aan de nanozymen. Bij vergelijking met een controlegroep, de wetenschappers observeerden duidelijk verminderde overlevingspercentages van bacteriën; het onderbouwen van hoge oxidase-achtige activiteiten van FeN ₅ SA/CNF voor significante antibacteriële activiteit.

Based on the in vitro experimental outcomes, the scientists next conducted in vivo antibacterial studies using the new nanozymes. Voor deze, they used a wound infection model of mice to understand the antibacterial efficacy of FeN ₅ SA/CNF. After 4-days of infecting a wound site with E. coli followed by nanozyme therapy, Huang et al. observed the clear remission of ulceration and accelerated wound healing in the treatment group.

The scientists verified the in vivo healing process using histopathology studies of the wounded tissue stained with hematoxylin and eosin. The results showed that keratinocytes migrated to the wound site from the normal tissue, to thicken the epidermis after treatment, confirming a highly biocompatible bacterial nanozyme. Zoals eerder, Huang et al. credited the results to the architecture of atomically dispersed FeN ₅ sites, as actual active centers in these catalysts.

To determine the precise origin of the enhanced oxidase-like activity of the FeN ₅ SA/CNF using theoretical calculations, Huang et al. performed density functional theory (DFT) calculations. Voor deze, they used the oxygen molecular reduction process of single-atom metal sites, with TMB molecules as the reducing agent in acidic conditions. The scientists showed that compared with the starting square planar FeN ₄ SA/CNF, the axial-coordinated N atom used to form FeN ₅ SA/CNF provided a strong push effect in the nanozymes architecture; to activate the oxygen molecule and cleave the O-O bond. This process promoted the oxidative capacity of the single atom nanozymes, to acquire acidic hydrogens from substrates such as TMB, while oxidizing them. Thereby, based on the DFT calculations, Huang et al. unmistakably credited the origin of the superior oxidase-like activity to the central metal atom and the steric configurations of single-atom nanozymes.

In this way. Huang and colleagues reported the discovery of a new class of single-atom nanozymes with atomically dispersed enzyme-like active sites in nanomaterials. The new nanozymes showed significantly superior catalytic performance compared with conventional nanozymes in the lab. The observations resulted in uncovering their underlying mechanism during the study, using oxidase catalysis as a model reaction. Using both experimental studies and theoretical calculations, the scientists revealed the electron-push effect mechanism crucial to endow FeN ₅ SA/CNF with the characteristically superior oxidase-like activity, compared to other nanozymes. This led to efficient bactericidal investigations and wound disinfection in vitro and in vivo. The scientists present a new perspective to the catalytic mechanisms and rational design of nanozymes to exhibit great potential and predict the origin of a next-generation nanozyme.

© 2019 Wetenschap X Netwerk