Tuning Atomically Dispersed Fe Sites in Metal-Organic Frameworks Boosts Peroxidase-Like Activity for Sensitive Biosensing
Weiqing Xu1, Yikun Kang2, Lei Jiao1, Yu Wu1, Hongye Yan1, Jinli Li1, Wenling Gu1, Weiyu Song2*, Chengzhou Zhu1*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:184
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00520-3
1. 通过在有机配体中引入强的吸电子(或给电子)官能团(-NO₂或-NH₂)实现对MIL-101中原子级分散的金属位点(Fe)的直接调控。
2. -NO₂官能化显著改善了纳米酶对底物的亲和性，并实现了其类过氧化物酶活性的极大提高。然而-NH₂官能化则表现出与之相反的结果。
3. 理论计算表明-NO₂不仅可以影响吸附态中间体的几何结构，而且还可以优化Fe活性位点的电子结构。NO₂-MIL-101的催化反应能垒显著降低，活性得以增强。
4. NO₂-MIL-101构建的生物传感体系实现了对乙酰胆碱酯酶活性和有机磷农药的高灵敏度检测。
近年来，纳米酶因其稳定性高、成本低、可批量生产而被选为天然酶的理想替代物并广泛应用于各个领域。然而，纳米酶的一个关键性问题在于其催化活性较天然酶仍存在不足。鉴于天然金属酶中金属活性位点的高效催化性能，在原子尺度下精确地设计和调控金属位点的结构是发展高活性纳米酶的有效策略。具体来说，纳米酶体系中结构-性能关系对于设计高性能纳米酶具有重要的指导意义，因此合理地设计调控原子级分散活性位点的电子结构和配位环境有望实现对天然酶性能的高效模拟。华中师范大学朱成周课题组联合中国石油大学宋卫余课题组选用具有良好类过氧化物酶(POD)活性的MIL-101(Fe) (简称MIL-101)为模型，其中五配位的Fe原子作为模拟POD的活性位点。两种电负性不同的官能团(-NO₂和-NH₂)被引入到MIL-101(分别表示为NO₂-MIL-101和NH₂-MIL-101)用以调节活性位点的结构。正如预期的那样，官能团能够有效调节MIL-101的类POD活性。其活性依次为NO₂-MIL-101、MIL-101、NH₂-MIL-101。实验结果表明，-NO₂的引入能显著提高MIL-101对底物的亲和力，并实现其催化活性的增强。此外，理论研究表明，-NO₂强的吸电子性能不仅能调节吸附态中间体的几何构型，还能优化原子级分散Fe活性位点的电子结构。得益于这些优势，NO₂-MIL-101的催化反应能垒显著降低，活性得以增强。因此，协同有机配体的几何和电子效应来调节MOFs中金属位点，能够为在原子尺度下实现对活性位点的直接调控并设计高性能纳米酶提供了新的解决方案。此外，NO₂-MIL-101构建的生物传感体系实现了对乙酰胆碱酯酶(AChE)活性和有机磷农药(OP)的高灵敏比色检测，在生物传感领域具有广阔的应用前景。
有机配体氨基对苯二甲酸/硝基对苯二甲酸被用于取代对苯二甲酸与金属离子(Fe³⁺)配位用以合成不同功能化的MIL-101。理论模型表明不同功能化的MIL-101的局部结构单元是相同的，除了-NH₂/-NO₂取代了对苯二甲酸配体中的-H(图1a-c)。TEM对MOFs表征结果证实了三种材料的形貌基本相同(图1d-f)。此外，如图1g所示，各种元素均匀地分散在NO₂-MIL-101中。尤其是N元素的均匀分散说明-NO₂被成功地引入到MIL-101中。XRD图谱表明所制备的MOFs具有相似的晶体结构(图1h)。红外图谱中-NH₂/-NO₂特征峰的显现进一步证实了官能团被成功地引入到MIL-101中(图1i)。以上的实验数据不仅验证了所构筑模型的合理性，而且为后续在同一水平下评价三种催化剂的活性提供了前提条件。
图1. 纳米酶结构及形貌表征：不同MOF的(a-c) 结构示意图(Fe：黄色，C：棕色，O：红色，H：粉色，N：紫色)和(d-f) TEM形貌表征。(g) NO₂-MIL-101的HAADF-STEM和相应元素的EDS mapping图谱。不同MOFs的(h) XRD和(i) FT-IR图谱。
基于金属活性位点(Fe)含量相同的条件下，利用3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)显色反应评价纳米酶的类POD活性(图2a)。研究发现，-NO₂的引入增强了MIL-101的类POD活性，而-NH₂却减弱了其催化活性(图2b)。通过测定纳米酶的比活性(SA)实现对其催化效率定量评价(图2c)，NO₂-MIL-101和MIL-101的SA分别是NH₂-MIL-101的7.91倍和2.77倍。随后的电子顺磁共振(EPR)光谱验证了羟基自由基(•OH)的存在(图2d)，并且它们的信号峰强度与相应地类POD活性具有良好地一致性。加入•OH的清除剂异丙醇到反应体系后，纳米酶的催化活性显著降低，表明•OH是主要的活性中间体(图2e)。此外，纳米酶的稳态动力学评价结果表明NO₂-MIL-101对H₂O₂催化具有较小的米氏常数(Kₘ)，这证明了其对H₂O₂的亲和力较高(图2f)。而NH₂-MIL-101则表现出相反地结果。
图2. 类POD酶活性的评价。(a) 不同有机配体官能团对MOF类POD活性的调控。不同纳米酶催化TMB氧化的(b) 吸收图谱，(c) 比活性及(d) 中间产物•OH的EPR图谱。(e) 异丙醇的引入对纳米酶活性的影响。(f) 纳米酶催化H₂O₂的Kₘ。
根据图3a中给出的反应途径详细地计算每个步骤的反应能量。H₂O₂的分解作为速率决定步骤(RDS)决定了整个反应的催化活性(图3b)。RDS的能量变化是NO₂-MIL-101 (1.28 eV)<MIL-101 (1.55 eV)<NH₂-MIL-101 (1.65 eV)，这与纳米酶的催化活性结果是一致的。为了探究NO₂-MIL-101催化活性优越的原因，我们首先研究了-NO₂对吸附态H₂O₂*的几何效应。有趣的是，在NO₂-MIL-101上，吸附态H₂O₂*的O-H键的取向偏向于-NO₂上的氧(图3c)。相比之下，MIL-101和NH₂-MIL-101没有观察到显著地变化。-NO₂强的电子吸收作用使得H··O-N-O距离缩短，这种变化有利于O-O键的断裂，从而减少OH*形成能的变化。
为了从电子结构的角度进一步揭示-NO₂的影响，计算了-NO₂对NO₂-MIL-101电荷密度的影响。从图3d可以看出，NO₂-MIL-101在dxz方向上的投影电子状态密度分布(PDOS)增大，而在dz2方向上的PODS显著减小，而在NH₂-MIL-101上则没有明显变化。因此，我们认为NO₂-MIL-101活性的增强可能是由于Fe活性位点上的悬空键(dz2)方向上的电子减少所致。为了深入了解催化反应中改变的3d轨道分裂的作用，通过计算投影晶体轨道汉密尔顿粒子数(pCOHP)及费米能级揭示活性位点吸附的HO*和Fe原子之间的相互作用(图3e)。NO₂-MIL-101中HO*-Fe键(费米能级以下蓝色区域)的反键轨道填充量小于MIL-101和NH₂-MIL-101，说明反键轨道中的电子减少了。反键轨道电子的减少可以使得HO*-Fe 的键长增加，促进H₂O₂*的裂解并有效减少RDS的能量变化。
图3. 纳米酶催化反应的理论计算。(a) NO₂-MIL-101在酸性环境下反应的基本步骤示意图。(b) 纳米酶催化反应的能量变化图。(c) 吸附在纳米酶上H₂O₂*的几何结构(从左至右分别为MIL-101、NH₂-MIL-101、NO₂-MIL-101)。(d) Fe 3d轨道上PDOS及费米能级的分布。(插图：Fe活性位点附近的局部视图)。(e) HO*-Fe键及其对应的pCOHP示意图(排列顺序与(c)图相同)。
AChE作为人体内一种关键性的酶在神经系统中发挥着重要的作用，因而精确地评价AChE的活性对于疾病的诊疗具有重大意义。基于AChE催化硫代乙酰胆碱生成含巯基的硫代胆碱，该产物会显著影响NO₂-MIL-101对TMB催化的显色反应(图4a)。因此，本文利用双酶串联反应(AChE-POD)实现了对AChE活性的高灵敏度及高选择性检测(图4b-e)。线性检测范围是0.2-50 mU/mL，检测限为0.14 mU/mL。此外，有机磷农药(OP)会造成AChE失活，影响机体的正常活动。因此，该生物传感器被进一步用于OP有效地检测。
图4. 生物传感器的构建。(a) AChE活性检测示意图。(b) 不同体系催化TMB的吸收光谱。不同浓度AChE活性检测的吸收光谱(c) 以及线性检测范围(d)。(e) 生物传感器的选择性评价。
许维庆
本文第一作者
华中师范大学 硕士研究生
金属有机框架材料的设计合成及其在生物分析传感领域中的应用。
▍主要研究成果
在Adv. Mater., Biosens. Bioelectron., ACS Appl. Mater. Interface和Chem. Commun.等学术期刊上以第一作者身份发表论文5篇，参与发表论文8篇。
▍Email: wqxuccnu@126.com
宋卫余
本文通讯作者
中国石油大学(北京) 副教授
多尺度计算模拟技术研究催化材料结构敏感性和催化反应机理。
▍主要研究成果
中国石油大学(北京)理学院应用化学系副教授，博士生导师，校重点学科青年拔尖人才。2014年9月博士毕业于埃因霍温理工大学化学工程与化学系Schuit催化研究所，随后担任荷兰埃因霍芬理工大学化工学院客座研究员。于2013年获中国留学基金委优秀自费留学生奖学金。2015年加入中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室能源与环境催化课题组。主要借助于多尺度计算模拟技术研究催化材料结构敏感性和催化反应机理。近年在ACS Catal. J. Material. Chem. A, Appl. Catal. B 等期刊发表多篇SCI文章。
▍Email: songwy@cup.edu.cn
朱成周
本文通讯作者
华中师范大学 教授，博士生导师
功能纳米材料的设计合成及其在催化和生物分析中的应用。
▍主要研究成果
海外高层次人才青年项目入选者，德国洪堡学者、湖北省楚天学者，2018和2020年科睿唯安全球高被引科学家。至今在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater.和Angew. Chem. Int. Ed.等国际著名学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文100多篇, 总引超过15200次 (Google Scholar)，H-index为61。其中，26篇论文进入ESI高被引论文，应邀撰写专著专章1章。担任Analytica Chimica Acta和Biosensors等期刊编委和《物理化学学报》期刊青年编委。
▍Email: czzhu@mail.ccnu.edu.cn
▍课题组主页
www.researchgate.net/profile/Chengzhou_Zhu
Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。
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