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催化合成的普鲁士蓝纳米粒子(PB)
发布时间:2021-05-14     作者:zl   分享到:

催化合成的普鲁士蓝纳米粒子(PB)

  作者通过过氧化氢的活化催化合成了一种具有类过氧化物酶活性的普鲁士蓝(Prussian Blue, PB)纳米粒子。在对比实验中,这种纳米粒子展现出了远超其他已知过氧化物纳米酶的优异特性;通过调节其大小,催化效率可以达到天然过氧化物酶的数百甚至数千倍(图1A))。

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1. A)普鲁士蓝纳米粒子的催化活性与其直径的相关性,以天然酶活性为基准(B)普鲁士蓝纳米粒子催化机制的理论模型和与天然过氧化物酶相比的优势

  过氧化物酶是古老的酶之一,是人类开展研究广泛的生物酶。对过氧化物酶的模拟是通过采用卟啉基团以模拟天然过氧化物酶的活性位点——血红素。在电化学中,普鲁士蓝是还原过氧化氢效率高的催化剂之一,因此普鲁士蓝纳米酶早在之前就已经出现。但现有的许多普鲁士蓝纳米酶的活性仍然比天然酶低几个数量级,因此需要寻找更优的构建方法。

  在文章中,作者参考电沉积合成高性能电催化剂的方法,创造性地提出通过过氧化氢氧化反应合成普鲁士蓝纳米粒子:将氰化物[Fe(CN)6]3–和铁离子Fe3+11混合物在酸性溶液条件下通过加入过氧化氢,搅拌、离心后获得沉淀的普鲁士蓝纳米粒子(图2)。这种合成方法与之前报道的PB纳米粒子所用的将铁原子的不同氧化态进行常规混合法相比,合成的纳米粒子具有更规则的结构。根据普鲁士蓝对过氧化氢氧化和还原同时具有催化性,在这种条件下普鲁士蓝沉淀需要过氧化氢氧化,因此具有佳催化活性的结构在生长过程中更占优势。这样的催化过程可以显著提高普鲁士蓝纳米粒子的催化活性。

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3. 初始反应速率对TMBH2O2浓度的依赖性。(A[H2O2]0.0 mM0.2 mM0.5 mM1.0 mM2.0 mM。(B[TMB]1 μM2 μM5μM10 μM0.011 nM PB纳米颗粒。(CkcatTMB的依赖性,[H2O2] = 2 mM,是通过在[■]水中混合[Fe(CN)6]4–Fe3+合成的纳米颗粒的尺寸,( )缓冲液pH 5.0,和(0.1 M KCl / 0.1 M HCl,或[Fe(CN)6]3–Fe3+与(H2的还原混合物O2或()苯胺;pH5.0。虚线,在类似条件下(λ = 450 nm),过氧化物酶的kcat

  普鲁士蓝纳米粒子的过氧化氢催化实验(图4)显示,反应速率对过氧化氢浓度呈线性,且反应速率-浓度曲线图(图4B))中没有出现饱和曲线,说明它对过氧化氢具有极快的活化速度。

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4.A)(PB纳米颗粒(ø = 80 nm)和()酶过氧化物酶的TMB的周转数([H2O2] = 2 mMpH依赖性。(B)分批次搅拌时(PB纳米粒子ø = 70 nm和(PB膜修饰电极(均为0.7 nmol·cm –2)的电流响应;pH 6.0E = 0.00V。(CPB NPs胶体溶液在0.1 M KCl / 0.1 M HCl中的存储稳定性: H2O2[TMB] = 0.05 mMkcat / KM ,环境为pH 5.0柠檬酸磷酸盐(AC)或含0.1 M KCl的磷酸盐缓冲液(B)。

  在文章中,作者分析了普鲁士蓝纳米酶的动力学机理,得出了其与天然过氧化物酶不同的催化机制。

  在自然条件下,过氧化物酶的活性位点先与过氧化氢反应生成化合物l。而在普鲁士蓝纳米粒子的催化过程中,其先与还原性底物反应,之后过氧化氢将反应产生的络合物氧化。这个过程可能遵循推拉机制:由底物为普鲁士蓝提供电子密度,将过氧化氢还原。经过实验验证的可能反应路径如图5

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在这种反应机理下,根据

image.pngKMKP的乘积即为k3/k-3。这个比例与电位相关。进行拟合(图6B))后得到证实。

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6.AWalker-Schmidt图中的完整动力学曲线。[H2O2]0 2 mM[儿茶酚]020 mM10 mM5 mM2 mM1 nM, 0.052 nM纳米酶,柠檬酸磷酸盐缓冲液,pH 5.0,室温。(Bk3 / k–3根据该方案,产物释放缓慢,曲线是底物氧化还原电位的函数。

  同时,作者对人工过氧化物酶的选择性进行了研究(图7),发现其对过氧化物具有催化特异性。同时,理论上纳米酶的双分子速率常数达到了天然酶的数百倍。作者认为这可能与纳米酶具有更均匀的反应表面,避免了旋转对扩散控制速率的影响有关。

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7.A)纳米酶人工过氧化物酶的选择性(氧化酶对过氧化物酶的活性)。过氧化物酶样([H2O2] = 0.2 mM)和氧化酶样([O2 ] ≈ 0.2 mM)活性。(BH2O2与纳米酶-底物复合物相互作用的双分子速率常数,是底物氧化还原电位的函数。

  作者认为,催化合成的普鲁士蓝纳米粒子具有与真正的生物酶无异、甚至更优秀的催化性能,同时具备更好的储存稳定性。该研究成果有望在生物技术和分析科学中替代天然/重组过氧化物酶发挥作用。

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【目前合作的部分科研单位】:

重庆医科大学,西南大学,第三军医大学,西南交通大学,重庆大坪医院,四川大学,华西医院,电子科技大学,哈尔滨工业大学,吉林大学,长春应化所,沈阳药科大学,中国海洋大学,北京大学,清华大学,北京理工大学,北京师范大学,北京中医药大学,中国农业大学,北京市肿瘤防治研究所,北京军事医学科学院,中国科学院动物研究所,中国科学院化学研究所,第四军医大学,西安交通大学,湖南大学,中南大学,武汉大学,武汉协和医院,华中科技大学,中山大学,广东药科大学,深圳大学,华南理工大学,中国科研学院先进技术研究院,厦门大学,福州大学,浙江大学,南京大学,南京医科大学,东南大学,中国药科大学,苏州大学,山东大学,山东师范大学,上海交通大学,华东理工大学,复旦大学,郑州大学,河南烟草局,宁夏医科大学,新疆大学,中国人民大学,中国科学院苏州纳米研究所,国家纳米科学中心,武汉病毒研究所,中国科学院过程工程研究所,江苏省原子医学研究所,中国科学院宁波材料技术与工程研究所,中国科学院上海硅酸盐研究所,中国医学科学院生物医学工程研究所等等

 

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