Small | 一种利用亲氧金属调控钯基过氧化物纳米酶活性的策略及其生物分析应用

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2023年1月19日

*编辑：顾芗

操控纳米酶的催化性能对于它们在生物分析、癌症治疗和环境监控中的广泛应用至关重要。贵金属基纳米晶体（NCs）因其优异的催化活性、电子导电性、热稳定性和生物相容性而发挥着不可或缺的作用。此外，通过调节它们的组成、尺寸和形态，可以明智地定制它们的催化效率。通过引入非贵金属形成双金属纳米晶被证明是增强贵金属纳米晶催化性能的有力手段，其不仅可降低成本，而且可赋予纳米晶独特的电子效应、协同效应和组分可调等新优势。

作为一种弱金属性金属，p区金属铋（Bi）的亲氧性已经多有阐明，其利于通过在催化剂表面形成含氧物种来提高NCs的催化氧化能力。Bi的低成本、易获得、低毒性、无致癌性和高丰度的优点使其在与生物学相关的应用中成为有吸引力的材料。而Bi前体容易水解形成含氧物质，Bi的低熔点（271.3 ℃）可能导致Bi基纳米晶发生团聚使得Bi和Pd之间合金化的实现受限，因此可控合成具有较大挑战性。

在此，中国科学院长春应用化学研究所徐国宝研究员与牛文新研究员团队展示了一种利用亲氧金属操纵Pd基纳米酶类过氧化物酶活性的策略。在研究中，他们首次证实Bi的欠电位沉积效应（UPD）在钯基纳米晶的胶体合成中的应用。更为重要的是，在所获得的PdBi合金纳米晶上，亲氧金属Bi也赋予了其突出的过氧化物酶活性，并基于此构建了一种碱性磷酸酶的间接比色传感平台。

PdBi NCs的合成与表征

采用种子介导的方法，该文章首次借助Bi在Pd上的欠电位沉积过程（UPD）构建了一种PdBi NCs低温水相的合成策略。如图1，Bi原子与Pd表面的强相互作用有利于形成具有可控形状和优异单分散性的合金结构，随着Bi(III)/Pd(II)前驱体摩尔比的增加，纳米晶形貌实现由八面体向截角八面体、立方八面体演化的转变。

图1. 不同摩尔比的Bi(III)/Pd(II)前体合成的PdBi NCs的SEM图像：a) 0.04；b) 0.06；c) 0.08；d) 0.12；e) 0.16；f) 0.32；g) 0.64；h) 0.96。

结合XRD、XPS、ICP-MS等结果揭示了PdBi合金NCs中Bi元素和Pd元素的分布规律。如图2a-b，XRD表明(111)特征衍射峰随着Bi(III)/Pd(II)前驱体摩尔比的增加而逐渐向小角度移动，意味着晶格常数因更大的Bi原子进入Pd晶格形成合金结构而扩大。图2c-d证实了PdBi NCs以金属态Pd和Bi组成。结合图2e-f，表明Bi起始阶段分布于纳米晶内部，当Bi(III)/Pd(II)=0.08，Bi开始分布于纳米晶表面，这也揭示了XRD中存在的特殊双峰（Pd + PdBi）结构的原因。

图2. (a-b) XRD；(c-d) Pd、Bi的XPS图；(e) 表面Bi含量（XPS）；(f) 总Bi含量（ICP）。

PdBi纳米酶活性的增强

以H2O2催化TMB为底物的显色反应为实例，评估了PdBi合金过氧化物酶活性的增强，如图3a-d，相比于纯Pd纳米晶，Bi的引入大幅增加纳米晶的过氧化物酶活性。

PdBi合金NCs的活性增强归因于Bi的结合。为了进一步探索Bi的显著作用，研究了PdBi纳米酶的模拟酶活性与Bi表面积百分比之间的关系。与其他纳米酶模拟物类似，纳米酶的活性非常依赖于纳米晶的成分。值得注意的是，如图3e所示，PdBi纳米酶的活性与PdBi纳米晶表面的Bi百分比密切相关。即在表面上具有较少Bi含量的纳米晶表现出较低的活性，而在表面上具有较多Bi含量的纳米晶表现出较高的活性，这进一步证明了纳米酶活性的增强得益于Bi的引入。Bi表面百分比和活性之间的关系也显示出非火山趋势。

图3. (a-d) PdBi合金的类过氧化物酶活性；(e) PdBi NCs的表面Bi含量-过氧化物酶活性关系。

如图4，该文章进一步通过荧光光谱证实了体系中的活性氧物种 ·OH的存在，同时通过CO剥离实验证实了Bi的亲氧作用，从而解释了PdBi合金纳米酶活性增强的来源：亲氧性Bi可促进Bi-(OHads)3的形成，有利于H2O2的键合，降低进一步分解生成*OOH中间体的势垒，从而获得更高的活性。此外，通过分析Bi表面百分比与活性的关系，非火山型曲线的趋势可以归结为NCs表面的Bi百分比最终的恒定。进而有理由推测，当表面Bi含量能够继续增加时，PdBi NCs的纳米酶活性会降低，这是由于H2O2在Bi上的强吸附抑制了其离解形成·OH。

图4. (a-b) 荧光光谱检测·OH；(c) Bi亲氧性证据（CO stripping）。

通过调整底物H2O2和TMB的浓度，测定紫外-可见光吸收光谱，得到Michaelis-Menten曲线以评估纳米酶催化的稳态动力学过程。如图4所示，与其他报道的类似纳米酶相比，PdBi-0.64立方八面体显示出优异的酶活性。此外，在PdBi立方八面体NCs上基于表面上每个活性位点的新计算方法仍显示出470.0和1.57s-1的优异催化周转数和周转率，是Fe3O4纳米酶的170倍。

图5. PdBi立方八面体纳米酶的稳态动力学过程。

碱性磷酸酶活性的检测

碱性磷酸酶（ALP）主要作为骨和肝胆系统疾病的临床检测指标，其血清水平异常可揭示疾病的发生。通过ALP作用于底物——多种正磷酸单酯，其水解得到具有自由基清除能力的抗坏血酸可对TMB氧化产生抑制作用。因此本文基于PdBi合金增强的过氧化物酶活性构建了一种ALP的间接比色检测策略。如图4，该方法对ALP检测的线性范围为0.01-4.0 U L-1，检测限低至0.0057 U L-1。此外该方法显示出了对ALP活性检测优异的选择性和抗干扰性。并且在稀释的人血清样品（5%）中进行的实验显示出了可接受的回收率（104.0%和98.63%），显示了该平台在ALP检测中的应用前景。

图6. 利用PdBi的过氧化物酶活性构建ALP的比色法传感平台。

总

结

提出了一种设计Pd基纳米酶类过氧化物酶活性的新策略。通过Bi UPD指导的种子介导法，获得了一系列形状和成分可调的PdBi合金纳米晶。受益于Bi的亲氧性，PdBi NCs表现出作为类过氧化物酶纳米酶的突出活性，这与其组成密切相关。在PdBi纳米酶的基础上，设计了一种检测ALP的间接比色法，其具有良好的线性范围和较低的检测限。该工作中报道的Bi(III)导向的Pd基纳米晶的生长代表了金属纳米结构的胶体UPD合成的一个新的例子，其生长机理可以为用亲氧金属和准金属合成其他合金纳米晶提供指导。更重要的是，本篇工作提供了一种通过引入亲氧元素来提高纳米酶性能的新方法，是对其他纳米酶设计策略的补充，这些纳米酶设计的不同策略的组合也同样有望促进具有高灵敏度和选择性的新型传感平台的设计。

撰稿｜ 夏诗雨

审阅｜ 王雨婷

编辑｜ 顾 芗